亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        光伏直流升壓匯集系統(tǒng)的模型降階啟動控制策略

        2018-11-09 04:58:02田艷軍魏石磊王毅王慧陳波張國豪
        電力建設 2018年11期
        關鍵詞:系統(tǒng)

        田艷軍,魏石磊,王毅,王慧,陳波,張國豪,2

        (1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學),河北省保定市 071003;2. 國網(wǎng)鞍山供電公司,遼寧省鞍山市 114000)

        0 引 言

        隨著環(huán)境的惡化及化石能源的枯竭,太陽能發(fā)電以其清潔、無污染、取之不盡的特點得到了迅猛發(fā)展。換流器在大規(guī)模光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)可靠性高、擴展能力強、開關損耗小、輸出電壓波形好,因而成為高壓大容量柔性直流輸電系統(tǒng)中換流器的首選[1-2]。

        系統(tǒng)的平穩(wěn)啟動是光伏直流升壓匯集系統(tǒng)能否正常運行的前提和基礎。這就需要合適的啟動策略將DC/DC變流器輸出側電容及MMC的子模塊電容進行預充電,并對變流器進行有序解鎖,從而減少系統(tǒng)啟動過程對自身及電網(wǎng)造成的電氣沖擊。DC/DC變流器可以通過串電阻啟動也可通過輔助電路啟動,但前者會增加啟動損耗也降低了可靠性,后者使得電路控制更加復雜[3-4]。文獻[5]提出了逐步增加輸入側占空比的預充電方法,使DC/DC變流器輸出側電容平滑上升到額定值,且不需要增加外部電路。MMC的啟動可以分為自勵和他勵2種方式。采用他勵方式,需要額外的輔助電源,增加了充電成本[6]。一般采用自勵的充電方式[7-14],即交流線路通過限流電阻為MMC子模塊電容進行充電,充電過程劃分為不控充電和可控充電2個階段。文獻[7-8]分析了單端及雙端有源MMC的拓撲結構和充電特點,可控充電階段采用將單個子模塊電容逐一充電至額定值的方式,雖然能滿足預充電要求但是充電耗時較長。文獻[9-11]中多端系統(tǒng)預充電的可控充電階段采用了雙閉環(huán)控制策略,其中外環(huán)參考電壓加入了斜率控制,使電容電壓從第一階段的終值按照設定斜率逐步穩(wěn)定地上升到額定值。文獻[12]在此基礎上考慮了冗余模塊,提出了電容協(xié)同預充電控制策略。文獻[13]針對基于MMC的并聯(lián)式多端柔性直流系統(tǒng),提出了預充電方式識別及切換的系統(tǒng)協(xié)調控制策略。現(xiàn)有文獻大多采用DC/DC單獨預充電或者是MMC單獨預充電,而光伏匯集系統(tǒng)為了節(jié)約成本,不采用直流斷路器,交流線路對2種換流器同時預充電。文獻[14]按MMC兩階段雙閉環(huán)充電方式為MMC及DC/DC級聯(lián)的光伏直流匯集系統(tǒng)進行充電,但是并沒有針對該系統(tǒng)獨有的充電特性進行分析。

        本文首先對光伏直流升壓匯集系統(tǒng)進行簡介,分析該系統(tǒng)的預充電拓撲結構。選取交流側線電壓為DC/DC輸出側電容及MMC子模塊電容進行兩階段預充電方案,并在可控階段對電壓外環(huán)采用比例(P)控制,消除穩(wěn)態(tài)誤差的基礎上,降低系統(tǒng)等效模型的階數(shù),提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并改善動態(tài)性能。最后,通過仿真驗證所提控制策略的可行性。

        1 光伏直流升壓匯集接入系統(tǒng)介紹

        光伏直流升壓匯集系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電單元、DC/DC升壓模塊、MMC變流器、變壓器、電網(wǎng)組成。圖1為簡化后的系統(tǒng)結構圖。圖中PV為光伏發(fā)電單元,Zdc為直流母線線路阻抗,R為交流側接入的限流電阻,其用于預充電中限制過沖電流,Sk為控制R接入或斷開的交流斷路器,L0、R0分別為交流側等效電阻和電感,Ug表示電網(wǎng)電壓。

        圖1 系統(tǒng)結構簡化框圖Fig.1 Block diagram of system structure

        系統(tǒng)中包含3個光伏發(fā)電單元及3個相應的DC/DC升壓模塊。DC/DC升壓模塊用來升高光伏輸出電壓,采用光伏最大功率跟蹤控制,其拓撲結構如圖2所示。圖2中Upv為光伏陣列輸出電壓,Udc為直流母線電壓,Cdi(i=1,2,3)為DC/DC升壓模塊的輸出側電容。

        圖2 DC/DC升壓模塊拓撲結構Fig.2 DC/DC boost module topology

        MMC變流器的拓撲結構如圖3所示。MMC有6個橋臂,Ls是橋臂等效電感,SM是MMC的子模塊,每個橋臂的子模塊數(shù)為n。每個子模塊均由2個功率開關管T1、T2,2個二極管D1、D2及1個電容器C組成,其中電容器電壓用uc表示。MMC變流器采用定直流電壓的雙閉環(huán)控制,對子模塊采用載波移相控制,并配合均壓及環(huán)流抑制策略。

        圖3 MMC模塊拓撲結構Fig.3 MMC module topology

        2 系統(tǒng)預充電方案

        光伏直流升壓匯集系統(tǒng)的DC/DC升壓模塊輸出側電容及MMC子模塊電容均需充電,為了充電方便且節(jié)約成本預充電采用自勵的方式,有以下2類預充電方案[14-15]:

        (1)直流母線安裝直流斷路器,初始直流母線處于斷開狀態(tài),分別對DC/DC升壓模塊及MMC進行預充電,充電完成后再接通直流線路;

        (2)采用一定控制策略使交流線路為MMC充電,同時經(jīng)直流母線為DC/DC升壓模塊進行充電。

        對于方案(1),其流程如圖4所示,首先斷開直流線路,光伏側通過控制DC/DC變流器,逐漸將輸出側電容電壓提高至額定值,限流電阻用來限制充電電流的大小[3]。同時MMC由交流線路經(jīng)限流電阻進行充電,按兩階段充電的方式將子模塊電容快速平穩(wěn)地充電到額定值。兩端充電均完成后,直流母線兩端的電壓值相等,此時接通直流線路不會造成電氣沖擊。但是此方案除DC/DC升壓模塊及MMC模塊各自啟動所需設備外,還需要加裝直流斷路器來控制直流線路的通斷,增加了額外的成本。

        圖4 兩端分別啟動的啟動流程圖Fig.4 Flow chart of starting separately at both ends

        方案(2)是從交流側向直流側進行充電,其啟動流程如圖5所示。預充電期間直流線路始終保持連接狀態(tài),不控充電階段DC/DC升壓模塊及MMC閉鎖,交流線路通過限流電阻為DC/DC升壓模塊輸出側電容及MMC子模塊電容充電。直流母線電壓接近交流線路線電壓峰值時,解鎖MMC,進入可控充電階段,即MMC采用帶斜率控制的定電壓控制策略,使直流母線電壓逐漸上升到額定值。本方案中無需加裝直流斷路器,節(jié)約了成本,且交流線路電壓等級更高,充電更為迅速穩(wěn)定,所以本系統(tǒng)基于方案(2)進行預充電。

        圖5 交流側預充電流程圖Fig.5 Flow chart of AC side pre-charging

        3 系統(tǒng)軟啟動過程分析

        采用交流側線電壓對MMC及DC/DC模塊進行預充電的拓撲結構與僅為MMC預充電的拓撲較為相近,僅增加了直流側大電容及直流線路阻抗。因此預充電過程也可分為不控充電階段與可控充電階段,該過程中DC/DC升壓模塊始終處于閉鎖狀態(tài)。

        3.1 不控充電階段

        不控充電階段,充電過程示意圖如圖6所示。MMC子模塊的開關信號閉鎖,交流系統(tǒng)通過線電壓充電的方式經(jīng)SM的反并聯(lián)二極管對子模塊電容進行充電,同時經(jīng)直流線路為DC/DC模塊輸出側電容充電。以線電壓uac向SM電容及DC/DC模塊電容充電為例進行分析。ui(i=a,b,c)表示交流側相電壓,根據(jù)圖6,可以看出相電壓ua大于uc,電流流向如圖中箭頭所示,a相上橋臂及c相下橋臂所有SM的D2導通,為電流提供通路,電容不充電,a相下橋臂及c相上橋臂所有SM的D1導通,為電容進行充電,同時線電壓uac通過a相上橋臂及c相下橋臂通路為直流側電容進行充電。為避免不控充電階段電流過大對功率器件造成損壞,需要在交流線路中接入限流電阻來抑制電流及電壓過沖。

        圖6 不控充電階段示意圖Fig.6 Diagram of uncontrolled charging stage

        不控充電階段電路系統(tǒng)可以近似等效為零狀態(tài)響應的一階RC電路[9],單橋臂SM電容電壓總值可以表示為

        (1)

        式中:upm代表交流側相電壓幅值;τ為時間常數(shù)。充電過程中,限流電阻在一階RC電路中等效為2R,MMC的6個橋臂進行輪換充電,每個周期內單個橋臂的充電時間均占1/3,因此從直流側看進去相當于6個橋臂為并聯(lián)關系,而直流側電容與MMC橋臂也為并聯(lián)關系,所以充電等效電容Cq及時間常數(shù)τ可以表示為:

        Cq=6C/N+Cd/3

        (2)

        τ=2RCq

        (3)

        不控充電階段直流母線電壓最高達到交流線電壓峰值,文獻[9]對此進行了詳細的介紹說明,本文在此不再贅述。

        圖7為直流母線電壓不控充電時的實際值與一階RC電路理論值的對比情況。根據(jù)圖7可以看出,不控充電階段,直流母線電壓的實際值在電壓較低時與理論值基本一致,在電壓較高時充電速度及最終值要低于理論值。對于MMC的子模塊電容,每個周期內雖然單橋臂有1/3的時間在充電,但是有2/3的時間通過IGBT緩慢放電。當電容電壓較小時,充電速度遠大于放電速度,放電基本可以忽略,當電容電壓接近最大值時充電速度與放電速度的差值越來越小。

        圖8為不控充電階段交流電流波形圖。根據(jù)圖8可以看出,充電電流逐漸減小,且減小的速度越來越緩慢,小到一定程度后,很難繼續(xù)減小,8~20 s維持在 2 A左右,這樣限流電阻上就存在幾百V的壓降,電容電壓無法達到線電壓峰值。所以,不控充電階段很難充電至線電壓峰值,且越接近該值充電速度越慢。

        圖7 直流母線電壓實際值與理論值波形圖Fig.7 Waveform of practical and theoretical value of DC bus voltage

        圖8 交流母線電流波形圖Fig.8 Waveform of AC bus current

        RC一階電路的充電模型能較好地反應不控充電階段的充電趨勢,但最大值附近比實際值偏高??梢钥紤]充電至接近線電壓峰值時(90%以上),即可進入可控充電階段,可達到一定的充電效果且節(jié)省大量的充電時間。

        3.2 可控充電階段

        文獻[10-11]詳細研究了MMC的預充電過程,考慮了電壓調制比,得到了不控充電階段子模塊電容能充電到額定值69%~82%的結論。不控充電結束后,直流母線電壓仍低于額定電壓,需要采用一定的控制策略將所有子模塊電容及DC/DC模塊電容沖電到額定值,此過程稱為可控充電階段。

        可控充電階段,針對單端及多端MMC的預充電多采用雙閉環(huán)充電策略來提升電壓,使MMC各模塊間電容能量能夠保持相對均勻穩(wěn)步上升,系統(tǒng)解耦后的d軸簡要控制框圖[16]如圖9所示。

        圖9 MMC系統(tǒng)預充電控制框圖Fig.9 Diagram of pre-charge control for MMC system

        其中Udcref及Udc分別表示直流母線電壓參考值及實際值,Udc0為電壓參考值的初始值,ramp為斜坡控制器,Gc表示電流內環(huán)的傳遞函數(shù),系統(tǒng)中內外環(huán)的控制器均為PI控制器,且外環(huán)電壓參考值從Udc0開始按設定斜率逐漸增大到直流電壓額定值。

        根據(jù)圖9,可以得到系統(tǒng)電壓外環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)G1:

        (4)

        (5)

        式中:Kp1和Ki1分別表示電壓外環(huán)PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù);Kp和Ki分別表示電流內環(huán)PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。G1可以按照II型系統(tǒng)進行設計,Gc為簡化后電流內環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

        本文系統(tǒng)的可控充電階段也采用雙閉環(huán)控制策略,預充電階段直流母線側為大電容,所以電壓外環(huán)可以采用比例控制代替比例積分(PI)控制,降低系統(tǒng)模型階次,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,其控制框圖如圖10所示,其中Kp1為外環(huán)比例控制器參數(shù)。

        圖10 直流升壓系統(tǒng)預充電控制框圖Fig.10 Block diagram of pre-charge control for DC boost system

        根據(jù)圖10可以得到系統(tǒng)電壓外環(huán)的傳遞函數(shù)為G2,其控制參數(shù)可以按照典型的I型系統(tǒng)進行設計。

        (6)

        對比G1與G2可以看出本文所提控制策略使系統(tǒng)階次更低,更便于控制參數(shù)的選取及系統(tǒng)的穩(wěn)定[17],且無需斜坡控制,省去了斜坡參數(shù)[18]的設計。G1與G2的對比Bode圖及根軌跡圖如圖11、12所示。

        根據(jù)圖11幅頻特性曲線,可以看出G1的低頻段增益高于G2的低頻段增益,表示采用比例積分控制的系統(tǒng)響應速度更快。根據(jù)圖11相頻特性曲線,G2的相角裕度要大于G1的相角裕度,表示采用比例控制的系統(tǒng)穩(wěn)定性更好。G1的相頻曲線在低頻段時相角在-180°到-90°內變化,G2的相頻曲線在低頻段基本保持在-90°,在參數(shù)設計時要求系統(tǒng)具有一定的相位裕度,所以G2的參數(shù)比G1的參數(shù)更容易設計。圖12中放大了根軌跡有明顯區(qū)別的部分,該部分G2的根軌跡在實軸上,而G1的根軌跡OA段含有虛軸分量,且靠近虛軸的OB實軸段無根軌跡,所以G2的穩(wěn)定性要優(yōu)于G1的穩(wěn)定性。綜合來看,可控充電階段采用比例控制的系統(tǒng)響應速度略慢,但是穩(wěn)定性良好,控制器參數(shù)更容易設計,且無需斜率控制器。

        圖11 G1與G2的Bode圖對比Fig.11 Comparison of Bode between G1 and G2

        圖12 G1與G2的根軌跡圖對比Fig.12 Comparison of Nyquist between G1 and G2

        可控充電階段,直流側尚未啟動,相當于僅為電容元件充電,在外環(huán)比例調節(jié)器控制下,當直流母線電壓低于額定電壓時,參考電壓與實際電壓差值為正,電容充電,當直流母線高于額定電壓時,參考電壓與實際電壓差值為負,電容放電。選取合適的控制參數(shù)并配合一定的限幅,可以保證DC/DC模塊輸出側電容電壓逐步上升,最終維持在額定電壓附近。同時MMC子模塊電容電壓隨直流側電壓的上升而上升,最終達到額定值附近。

        初始狀態(tài)下閉鎖DC/DC模塊及MMC,接入限流電阻,進入不控整流階段,當檢測到電壓大于額定值的90%后,進入可控充電階段,采用本文所提電壓外環(huán)比例控制的雙閉環(huán)控制策略,當直流母線電壓達到額定值后,斷開限流電阻,MMC切換到正常運行控制模式同時解鎖DC/DC升壓模塊,系統(tǒng)軟啟動完成,進入正常平穩(wěn)運行狀態(tài)。

        4 算例仿真

        在MATLAB/Simulink中搭建了光伏直流升壓匯集系統(tǒng)的啟動仿真模型,其主要參數(shù)見表1。為了驗證可控充電階段電壓外環(huán)采用比例控制可以實現(xiàn)電壓平穩(wěn)上升且穩(wěn)定性更好,分別在采用外環(huán)電壓斜率控制及不采用斜率控制下進行仿真,對比分析了比例積分控制及比例控制2種控制方式下的系統(tǒng)啟動過程。

        表1 仿真模型主要參數(shù)Table 1 Main parameters of simulation model

        在電壓外環(huán)使用斜率控制器的條件下,對采用PI控制與P控制下的系統(tǒng)進行軟啟動仿真對比分析。圖13(a)為2種控制方式下子模塊電容電壓波形對比圖;圖13(b)為2種控制方式下直流母線電壓的波形對比圖;圖13(c)為直流線路電流波形對比圖;圖13(d)為交流線路d軸分量波形對比圖。

        根據(jù)圖13(a)、(b)可以看出,電壓外環(huán)采用PI控制時,可控充電階段子模塊電容電壓及線路電壓能夠按設定斜率上升,但額定值附近會產(chǎn)生一個超調。采用比例控制時,可控充電階段子模塊電容電壓及線路電壓雖然不能準確跟蹤設定值,但是也能按照一定斜率上升。采用比例控制的系統(tǒng),電容電壓上升斜率相對較慢,但是其達到額定值附近幾乎沒有超調,所以其穩(wěn)定性更好且穩(wěn)定在額定值所用時間更短。

        圖13 斜率控制下系統(tǒng)仿真對比圖Fig.13 Comparison diagram of system simulation under slope control

        規(guī)定電流方向從直流側流向交流側為正,從交流側流向直流側為負。結合圖13(c)、(d),0~4 s為不控充電階段,隨電壓升高電流逐漸減小。4 s進入可控充電階段,電容電壓按斜率上升。6.5 s左右,電壓穩(wěn)定在額定值,且采用比例控制的系統(tǒng)更早達到穩(wěn)定值。此時采用比例控制的系統(tǒng)相對比例積分控制的系統(tǒng)交直流線路電流的超調量也更小。7 s時解鎖DC/DC模塊,光伏接入系統(tǒng)同時切除限流電阻,系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。此時,根據(jù)圖13(d)可以看出電流由0變?yōu)?.3 pu。根據(jù)表1,每個光伏的額定功率為系統(tǒng)額定功率的0.1倍,3個光伏都實現(xiàn)了最大功率跟蹤,總功率為系統(tǒng)額定值的0.3倍,即電流標幺值為0.3 pu。

        在電壓外環(huán)不加斜率控制器的條件下,對采用PI控制與P控制下的系統(tǒng)進行軟啟動仿真對比分析。圖14(a)為2種控制方式下子模塊電容電壓波形對比圖;圖14(b)為2種控制方式下直流母線電壓的波形對比圖;圖14(c)為直流線路電流波形對比圖;圖14(d)為交流線路d軸分量波形對比圖。

        由圖14(a)、(b)可以看出,電壓外環(huán)采用比例積分控制的系統(tǒng),電容電壓達到額定值附近后會有較大的波動,電壓趨于發(fā)散,系統(tǒng)失穩(wěn)。而采用比例控制的系統(tǒng),可控充電階段子模塊電容電壓及線路電壓能夠平滑穩(wěn)定地上升至額定值,順利實現(xiàn)軟啟動。結合圖14(c)、(d),限流電阻的存在限制了沖擊電流在額定值的1.2倍之內,隨電容電壓的升高,充電電流逐漸接近于0??煽爻潆婋A段,雖然采用比例控制的系統(tǒng)充電電流較小,電容電壓上升的速度較慢,但是電容及電流的變化非常平緩,系統(tǒng)穩(wěn)定性良好,優(yōu)于比例積分控制。

        圖14 不加斜率控制下系統(tǒng)仿真圖Fig.14 System simulation diagram without slope control

        在含斜率控制器的情況下,采用比例控制的系統(tǒng)相對來說能更快完成預充電且超調量更小。在不加斜率控制器的情況下,采用PI控制的系統(tǒng)容易失穩(wěn),而采用P控制的系統(tǒng)能夠平穩(wěn)地實現(xiàn)軟啟動。綜合來看,采用比例控制的系統(tǒng)穩(wěn)定性更好,性能更加優(yōu)良,且無需斜率控制即可實現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)啟動。

        5 結 論

        本文根據(jù)光伏直流升壓匯集系統(tǒng)的拓撲結構,以快速平穩(wěn)充電且減小成本為原則,選取了交流側通過限流電阻為整個系統(tǒng)充電的方案。建立了不控充電階段近似的RC一階電路充電模型,為了實現(xiàn)系統(tǒng)的快速充電,沖電至線電壓峰值的90%以上即可進入可控階段。針對該系統(tǒng)預充電獨有的特點,提出可控充電階段采用比例控制的方法,降低了控制系統(tǒng)的階次,有利于控制參數(shù)的計算及系統(tǒng)的穩(wěn)定。

        猜你喜歡
        系統(tǒng)
        Smartflower POP 一體式光伏系統(tǒng)
        WJ-700無人機系統(tǒng)
        ZC系列無人機遙感系統(tǒng)
        北京測繪(2020年12期)2020-12-29 01:33:58
        基于PowerPC+FPGA顯示系統(tǒng)
        基于UG的發(fā)射箱自動化虛擬裝配系統(tǒng)開發(fā)
        半沸制皂系統(tǒng)(下)
        FAO系統(tǒng)特有功能分析及互聯(lián)互通探討
        連通與提升系統(tǒng)的最后一塊拼圖 Audiolab 傲立 M-DAC mini
        一德系統(tǒng) 德行天下
        PLC在多段調速系統(tǒng)中的應用
        久久久久久一级毛片免费无遮挡| 把女人弄爽特黄a大片| 国产精品无码久久久久久| 精品人妻伦九区久久AAA片69| 精品久久久久久无码专区 | 亚洲午夜av久久久精品影院色戒| 亚洲国产精品福利片在线观看| 2021国产最新在线视频一区| 一本色道久久88综合亚洲精品| 人妻一区二区三区av| 国产亚洲日本精品无码| 波多野结衣有码| 亚洲av人片在线观看调教| 国产亚洲精品90在线视频| 国产精品美女久久久久av福利| 女人被做到高潮免费视频| 99RE6在线观看国产精品| av免费资源在线观看| 国产电影一区二区三区| 最新四色米奇影视777在线看| 杨幂国产精品一区二区| 亚洲一区二区日韩精品在线| 国产精品久久国产精品99| 国产精品毛片无遮挡高清| 中文少妇一区二区三区| 国产av自拍视频在线观看| 97久久人人超碰超碰窝窝| 欧美日韩一区二区三区色综合| 国产精品视频一区二区久久| 久久婷婷五月综合色奶水99啪| 自慰无码一区二区三区| 无码超乳爆乳中文字幕| 亚洲第一页视频在线观看| 热久久国产欧美一区二区精品| 爱我久久国产精品| 国产亚洲精品一区二区在线播放| 蜜桃视频插满18在线观看| 日韩人妻无码一区二区三区久久99| 人妻无码ΑV中文字幕久久琪琪布| 日韩女优图播一区二区| 国产女主播精品大秀系列|