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        適用于光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的組網(wǎng)型控制仿真分析

        2021-11-11 12:55:12蔣德秋
        農(nóng)村電氣化 2021年11期
        關(guān)鍵詞:故障系統(tǒng)

        蔣德秋

        (成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,四川 成都610091)

        《中華人民共和國2020年國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》指出,到2030年我國風(fēng)電和光伏裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)到12億kW以上[1]。新能源發(fā)電系統(tǒng)通過電力電子變流器并入電網(wǎng),未來高滲透率、分布廣泛的電力電子設(shè)備將極大地改變電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式。

        本文以光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)為例,光伏電池板將光能轉(zhuǎn)化電能,與直流母線相連,然后經(jīng)電力電子變流器向電網(wǎng)輸送電能。將直流電逆變?yōu)榻涣麟姷碾娏﹄娮幼兞髌鞣Q為逆變器。通過不同的控制策略控制逆變器中的開關(guān)器件的開斷可實(shí)現(xiàn)電能的交換和功率的傳輸,常見的逆變器以三相橋式全控整流電路為基礎(chǔ)。跟網(wǎng)型控制和組網(wǎng)型控制是并網(wǎng)逆變器兩種不同類型的控制策略[2]。跟網(wǎng)型控制通常用于連接高短路比的強(qiáng)電網(wǎng),一般以鎖相環(huán)作為同步的基本結(jié)構(gòu)。組網(wǎng)型控制借鑒了同步發(fā)電機(jī)的搖擺方程,可連接低短路比的弱電網(wǎng),是目前研究的重點(diǎn)。常見的組網(wǎng)型控制包括:下垂控制、虛擬同步機(jī)控制、DCVQ控制等[3]。

        目前常見的對逆變器控制策略的研究中將直流側(cè)等效為恒定直流電壓源,用于簡化分析。本文搭建了含光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真模型,將DCVQ控制應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器;研究了在不同故障場景下的響應(yīng)情況,總結(jié)了DCVQ控制策略的特點(diǎn),為將來暫態(tài)穩(wěn)定分析、控制方式改進(jìn)等提供了參考。

        1 光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

        一個(gè)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)接入三相交流網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池在直流母線連接,經(jīng)過并網(wǎng)逆變器與上級電網(wǎng)連接。

        圖1 光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)電氣接線圖

        1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

        光伏發(fā)電系統(tǒng)的DC/DC變流器采用BOOST升壓電路接入直流母線,如圖2所示。

        圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的DC/DC變流器電路拓圖

        光伏發(fā)電系統(tǒng)的DC/DC變流器采用基于擾動(dòng)觀察法[4]的最大功率跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)控制,擾動(dòng)步長為0.0001s。在MPPT輸出光伏電壓參考值VMPPT后,采用電壓電流雙內(nèi)環(huán)的控制方法,電壓外環(huán)輸出光伏電流參考值IMPPT作為電流內(nèi)環(huán)的輸入。光伏DC/DC控制原理如圖3所示。

        圖3 光伏DC/DC控制原理圖

        1.2 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)建模

        圖4為鉛酸蓄電池經(jīng)過雙向DC/DC變流器接入直流母線的電路拓?fù)鋱D。能量從蓄電池流向直流母線時(shí),直流變換器工作在升壓模式下,實(shí)現(xiàn)升壓功能;能量從直流母線流向蓄電池時(shí),直流變換器工作在降壓模式下,實(shí)現(xiàn)降壓功能。控制策略為恒直流電壓的雙環(huán)PWM控制。

        圖4 電池儲(chǔ)能接入電路拓?fù)鋱D

        DC/DC變流器的控制結(jié)構(gòu)如圖5所示,為恒直流電壓的雙環(huán)控制[5]。為防止蓄電池工作在極端的荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)區(qū)間,添加了邏輯判斷環(huán)節(jié),其中NXOR是異或非門,當(dāng)且僅當(dāng)偶數(shù)個(gè)輸入為真時(shí)輸出為真。VDCref和VDC分別為直流母線電壓參考值和實(shí)際值;ILB為流過電感IB的電流。

        圖5 儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向DC/DC控制原理圖

        1.3 并網(wǎng)逆變系統(tǒng)建模

        并網(wǎng)逆變系統(tǒng)包含電壓源逆變器(voltage source converter,VSC)和LC濾波器,如圖6所示,其中為直流母線并聯(lián)的電容。本文研究了直流母線電壓/無功功率控制(DCVQ)控制對于光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的適用性。

        圖6 并網(wǎng)逆變系統(tǒng)電路拓?fù)鋱D

        DCVQ控制屬于新型組網(wǎng)型控制。DCVQ控制的具體策略可由同步發(fā)電機(jī)的搖擺方程推得。搖擺方程如式(1)所示:

        式中:J和D分別為同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù);ω為同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度;PT和Pe分別為原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率和電磁功率。

        在DCVQ控制中,將直流母線電容Cdc的充放電類比同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的加減速,可得DCVQ控制的同步環(huán)路控制律如式(2),

        式中:Gm為虛擬電導(dǎo);Cdc為直流母線電容值;Vdc為直流母線電壓。

        聯(lián)立式(1)和式(2),可得DCVQ控制的同步環(huán)路控制律如式(3):

        DCVQ控制的無功-電壓控制環(huán)路見式(4)。式中:U d,rdf為電壓內(nèi)環(huán)的電壓參考值;Qref和Qe分別為無功輸出的參考值和實(shí)際值;U N和U分別是公共連接點(diǎn)(PCC)處電壓參考值和實(shí)際值;Dq和Kq分別是下垂系數(shù)和無功比例系數(shù)。

        由此可得DCVQ控制的控制結(jié)構(gòu)如圖7所示,上方為DCVQ控制的直流母線電壓-頻率控制環(huán),可以在控制直流母線電壓的同時(shí)跟蹤電網(wǎng)的頻率信息與相位信息;下方為無功-電壓控制環(huán)[6]。

        圖7 DCVQ控制結(jié)構(gòu)圖

        2 仿真分析

        本文基于MATLAB/SIMULINK搭建了如圖1所示的光儲(chǔ)聯(lián)合并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),系統(tǒng)的元件參數(shù)和控制參數(shù)如表1所示。分析了并網(wǎng)逆變器在采用DCVQ控制策略時(shí)面臨不同故障時(shí)的輸出特性,故障類型為變壓器低壓側(cè)母線發(fā)生不同程度的金屬性三相接地短路故障,如圖1中的變壓器低壓側(cè)母線(圖6電路結(jié)構(gòu)中PCC處)所示;或電網(wǎng)頻率發(fā)生跌落。所有故障均在t=1s發(fā)生,t=3 s清除。

        表1 仿真參數(shù)

        2.1 PCC處發(fā)生三相對稱短路

        圖8為變壓器低壓側(cè)母線(PCC處)經(jīng)電阻接地,并網(wǎng)逆變器采用DCVQ控制策略時(shí)的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果圖。其中實(shí)線表示并網(wǎng)逆變系統(tǒng)出口處的有功功率,虛線表示光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT處有功功率。

        由圖8可以看出,在不同故障情況下光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率基本相等,為MPPT控制的輸出功率。采用DCVQ控制的并網(wǎng)逆變器在面臨嚴(yán)重的接地故障時(shí)頻率仍能維持在50 Hz附近,直流側(cè)電壓在1000 V附近。此外,接地電阻越小,故障期間輸出的功率越小,蓄電池儲(chǔ)能充電越快,此時(shí)需及時(shí)清除故障,否則會(huì)面臨電池飽和,系統(tǒng)與電網(wǎng)失去同步的風(fēng)險(xiǎn)。

        圖8 PCC處三相接地短路仿真結(jié)果對比

        2.2 上級電網(wǎng)發(fā)生頻率波動(dòng)

        圖9為上級電網(wǎng)發(fā)生不同程度的頻率波動(dòng)時(shí)采用DCVQ控制的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果。

        由圖9可以看出DCVQ控制基本上可以保持頻率、直流電壓穩(wěn)定,但是在頻率跌落至49.90 Hz時(shí)出現(xiàn)功率為負(fù)值的情況,意味著電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充電,如圖9(d)所示,此時(shí)的儲(chǔ)能SOC迅速上升,在頻率恢復(fù)后仍未在短時(shí)間內(nèi)回到正常運(yùn)行狀態(tài)。可見電網(wǎng)的頻率波動(dòng)對DCVQ控制的影響較大。

        圖9 上級電網(wǎng)頻率波動(dòng)仿真結(jié)果對比

        3 結(jié)束語

        本文分析了光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在不同故障工況下,采用DCVQ組網(wǎng)型控制時(shí)的電磁暫態(tài)特性。當(dāng)變壓器低壓母線側(cè)遭受三相接地短路時(shí),DCVQ控制通常能保持更好的暫態(tài)穩(wěn)定性,但對電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求較高。當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí),DCVQ的暫態(tài)穩(wěn)定性大大降低。雖然DCVQ控制能在短時(shí)間內(nèi)保持頻率穩(wěn)定和直流母線電壓穩(wěn)定,但功率并未恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài),儲(chǔ)能將快速充放電,遭受損害。

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