邢陽(yáng)陽(yáng),馬冬梅,黨曉圓,關(guān)正偉

(重慶移通學(xué)院智能工程學(xué)院,重慶 401520)

1 引言

在實(shí)際的電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中,發(fā)生的故障一般為三相不對(duì)稱(chēng)故障。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí),并網(wǎng)電流與直流母線的電壓不穩(wěn)定,使得饋入電網(wǎng)的功率發(fā)生振蕩,對(duì)電網(wǎng)的危害較大,因此需要對(duì)直流母線的電壓進(jìn)行平衡控制。

文獻(xiàn)[1]研究了單相任意單元數(shù)級(jí)聯(lián)H橋固態(tài)變壓器的SVPWM及其電壓平衡控制方法,運(yùn)用固態(tài)變壓器電壓環(huán)控制一個(gè)H橋直流母線電壓,然后通過(guò)在SVPWM中增加一個(gè)新的控制環(huán)控制其它H橋的矢量脈沖寬度,從而使其它H橋電壓跟隨的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)H橋均壓的目的,最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了該控制策略的正確性。文獻(xiàn)[2]提出了三層結(jié)構(gòu)的直流電容電壓平衡控制策略,在對(duì)不平衡的功率進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整定義的加權(quán)系數(shù),來(lái)靈活控制注入的零序電壓和負(fù)序電流各自承擔(dān)的相間移動(dòng)功率,提高系統(tǒng)控制自由度。

由于上述兩種控制方法均采用儲(chǔ)能元件對(duì)電壓進(jìn)行平衡,但是儲(chǔ)能元件本身在工作狀態(tài)下并不穩(wěn)定,導(dǎo)致直流母線電壓波動(dòng)較大,直流母線電壓平衡控制結(jié)果不理想。因此本文設(shè)計(jì)一種不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)故障下直流母線電壓平衡控制方法。

2 不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)故障下直流母線電壓平衡控制方法

2.1 直流母線動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)化

在發(fā)電系統(tǒng)中,光伏陣列與逆變器是主要結(jié)構(gòu),為了提高控制方法對(duì)光照強(qiáng)度變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力,以解決直流母線電壓處于光伏陣列不穩(wěn)定區(qū)域時(shí)出現(xiàn)的振蕩,確保直流母線電壓平衡,在進(jìn)行直流母線電壓平衡控制之前,首先建立一個(gè)光伏陣列數(shù)學(xué)模型。

在并網(wǎng)光伏中,一個(gè)光伏電池能夠提供的功率較小,因此選擇數(shù)量較大的光伏電池以串并聯(lián)的形式組合在一起,形成新的光伏陣列,繼而形成大型的光伏電站,實(shí)現(xiàn)電能的輸出[3,4]。在光伏陣列中,光伏電池是最小的光伏元件,光伏電池的等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

圖1中,ISC表示電池能夠產(chǎn)生的電流,該值與陽(yáng)光輻射的強(qiáng)度、溫度以及電池大小相關(guān);IVD表示二極管產(chǎn)生的電流,其方向與ISC相反,二極管電流的值可以表示為

(1)

式中,ID0表示無(wú)光照時(shí)的飽和電流,q表示電子元電荷,E表示電池電動(dòng)勢(shì),A表示常數(shù)因子,K表示玻爾茲曼常數(shù),T表示溫度。

設(shè)置RP為體內(nèi)缺陷或電池硅片邊緣不清潔而產(chǎn)生的旁漏電阻[5,6],RS為串聯(lián)電阻。根據(jù)上式可以得到其中的負(fù)載電流IL的計(jì)算公式為

(2)

在光伏電池中,并聯(lián)電阻一般情況下比較大,串聯(lián)電阻則較小。在建立數(shù)學(xué)模型的過(guò)程中,可以忽略電阻的影響[7,8]。光伏模塊在出廠后,會(huì)提供標(biāo)準(zhǔn)條件下的開(kāi)路電壓、短路電流、最大輸出功率、最大功率點(diǎn)電壓以及電流等相關(guān)參數(shù),根據(jù)上述分析得到這些參數(shù)的測(cè)試值,構(gòu)建光伏陣列數(shù)學(xué)模型,其表達(dá)式為

(3)

式中,S代表光照幅度,Sref表示標(biāo)準(zhǔn)條件下輻照度,α表示溫度系數(shù),其值為0.0025/℃,ΔT表示溫度差,γ表示系數(shù)因子,其值為0.00288/℃,β為系數(shù),其值為0.5,ΔS表示輻照強(qiáng)度差。通過(guò)構(gòu)建光伏陣列數(shù)學(xué)模型,可以得到任何光照強(qiáng)度和溫度下的光伏電池輸出特性。

2.2 電網(wǎng)相位檢測(cè)

在電網(wǎng)理想條件下,以控制角度出發(fā),電網(wǎng)中直流母線電壓出現(xiàn)失衡等故障時(shí),首先要做的就是檢測(cè)電壓同步信號(hào)和控制變流控制器[9,10]。這樣可以幫助識(shí)別不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)故障的類(lèi)型,并獲取相應(yīng)的控制基準(zhǔn)。本文采用鎖相環(huán)技術(shù)對(duì)電網(wǎng)的相位進(jìn)行檢測(cè),主要是保證其具有一個(gè)恒定的電壓,在近似的最大功率點(diǎn)中,對(duì)電壓進(jìn)行跟蹤控制,首先要獲得最大功率時(shí),工作電壓與開(kāi)路電壓之間的比例關(guān)系[11,12]。鎖相環(huán)的矢量關(guān)系如圖2所示。

圖2 鎖相環(huán)矢量關(guān)系圖

當(dāng)電網(wǎng)在理想條件下時(shí),鎖相環(huán)會(huì)處于一種鎖定狀態(tài),輸出的電壓矢量sαβ與實(shí)際的電網(wǎng)電壓矢量Usαβ在坐標(biāo)系中重合。這種鎖相環(huán)的檢測(cè)控制方案比較簡(jiǎn)單,對(duì)于電路的控制設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)更加方便。并且與其它方面相比較,鎖相環(huán)的局限性較小,在不同溫度、光照條件下,都能夠自動(dòng)檢測(cè)跟蹤到光伏陣列的最大功率點(diǎn)。

當(dāng)直流母線的電壓相位發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障[13],這兩個(gè)矢量之間會(huì)出現(xiàn)如圖2所示的差異,這兩個(gè)矢量之間的夾角稱(chēng)為相角跳變,可以通過(guò)計(jì)算公式求出。在理想的電壓條件下,電網(wǎng)電壓可以采用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)節(jié),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)直流母線電壓空間矢量的準(zhǔn)確跟蹤,鎖相環(huán)檢測(cè)過(guò)程如圖3所示。

圖3 鎖相環(huán)檢測(cè)過(guò)程

圖3中的PI調(diào)節(jié)器與鎖相環(huán)相比,增加了一個(gè)直流電網(wǎng)頻率的振諧控制器,在增大系統(tǒng)帶寬的同時(shí),能夠提高響應(yīng)速度,完成相位的檢測(cè),并對(duì)諧波分量有一定的濾除作用。

2.3 直流母線電壓平衡控制

在傳統(tǒng)的電壓平衡控制方法中,為了保持直流母線電壓的穩(wěn)定,需要維持直流微電網(wǎng)的功率保持在平衡狀態(tài),一般會(huì)使用儲(chǔ)能元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣做的缺陷在于無(wú)法保證儲(chǔ)能元件的工作狀態(tài)保持穩(wěn)定,反復(fù)地充放電會(huì)縮短儲(chǔ)能元件的壽命。母線電壓的正常波動(dòng)范圍的臨界值是直流母線放電的起始值,母線電壓升高,微網(wǎng)電源的提供功率會(huì)比負(fù)載的吸收功率大;當(dāng)母線的電壓降低時(shí),微電網(wǎng)電源會(huì)無(wú)法滿(mǎn)足負(fù)載所需要的功率。在電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,這種不穩(wěn)定的因素會(huì)增加電網(wǎng)的損耗。為了消除這個(gè)不穩(wěn)定因素,本文直接對(duì)直流母線進(jìn)行電壓平衡控制。在直流電網(wǎng)中,可以通過(guò)主從控制和下垂控制兩種方法實(shí)現(xiàn)母線電壓平衡控制。

在主從控制的過(guò)程中,需要主從模塊相互配合對(duì)電壓和電流共同控制。但是電壓下垂控制[14,15]不需要分主從模塊,在變換器之間能夠共享電流。為了使分析和控制過(guò)程更加簡(jiǎn)單,并實(shí)現(xiàn)對(duì)占空比d的調(diào)節(jié),本文選擇的滯環(huán)寬度需要恒定。當(dāng)本文的儲(chǔ)能系統(tǒng)在孤島運(yùn)行的過(guò)程中,假設(shè)滯環(huán)寬度為ΔH時(shí),那么滯環(huán)電流的上限值ip與下限值iL的計(jì)算公式為

ip=iref+ΔH

iL=iref-ΔH

(4)

式中,iref表示標(biāo)準(zhǔn)條件下的電流值。下垂控制器選擇的DC/DC變換器[16,17],主要是能夠提供輸入?yún)⒖脊β屎蛥⒖茧娏?。電壓平衡控制過(guò)程中,由直流電源提供一定的實(shí)際電壓和電流,電壓下垂控制器會(huì)提供相關(guān)的輸入?yún)⒖茧娏?這兩個(gè)電流會(huì)同時(shí)注入到滯環(huán)電流控制器中,由此產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)的調(diào)節(jié)占空比d,同時(shí)能夠控制DC/DC變換器的輸出電壓,并且能夠保證外界環(huán)境的變化不會(huì)影響分布式電源輸出功率的穩(wěn)定;當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)變化而影響到功率擾動(dòng)時(shí),說(shuō)明供電端與負(fù)荷端的功率之間出現(xiàn)了能量不平衡的情況。在直流微電網(wǎng)中,根據(jù)直流母線電壓的變化情況,光伏單元和儲(chǔ)能單元共同協(xié)調(diào)進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)故障下直流母線電壓平衡控制。

為了使直流微電網(wǎng)儲(chǔ)能模塊能夠更好地實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)功能,使用超級(jí)電容器對(duì)光伏儲(chǔ)能直流母線電壓進(jìn)行平衡控制,至此完成不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)故障下直流母線電壓平衡控制方法的設(shè)計(jì)。

3 仿真分析

3.1 仿真環(huán)境

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)故障下直流母線電壓平衡控制方法的有效性,需要進(jìn)行仿真分析。在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建如圖4所示的發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。

圖4 發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

上述模型中的設(shè)備以及參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型設(shè)備參數(shù)

在上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)下,通過(guò)仿真平臺(tái)對(duì)電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真。在實(shí)驗(yàn)中,設(shè)置兩種不對(duì)稱(chēng)故障類(lèi)型,故障前系統(tǒng)運(yùn)行在0.9pu的額定功率下,最大電流為1.2pu。故障類(lèi)型1的仿真時(shí)間為1s,在0.7s時(shí),a相電壓發(fā)生跌落,并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落到0.2pu,在0.9s時(shí)電壓恢復(fù)正常;故障類(lèi)型2的仿真時(shí)間為1s,在0.7s時(shí),b、c兩相電壓發(fā)生跌落,并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落到0.2pu,在0.9s時(shí)電壓恢復(fù)正常;在上述兩故障類(lèi)型下,分別采用本文提出的直流母線電壓平衡控制方法、文獻(xiàn)[1]提出的基于固態(tài)變壓器直流側(cè)電壓平衡控制的SVPWM方法和文獻(xiàn)[2]提出的電網(wǎng)故障下的電能路由器直流電容電壓平衡控制方法進(jìn)行直流母線電壓平衡控制,分別得到三種控制方法的仿真波形圖,并對(duì)三種控制方法的結(jié)果進(jìn)行分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)比

在故障類(lèi)型1的仿真條件下,本文提出的直流母線電壓平衡控制方法和文獻(xiàn)[1]提出的基于固態(tài)變壓器直流側(cè)電壓平衡控制的SVPWM方法的直流母線電壓波形圖如圖5所示。

在故障類(lèi)型2下,本文提出的直流母線電壓平衡控制方法和文獻(xiàn)[2]提出的電網(wǎng)故障下的電能路由器直流電容電壓平衡控制方法的直流母線電壓波形圖如圖6所示。

圖6 故障類(lèi)型2下直流母線電壓波動(dòng)情況

從上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在兩種故障類(lèi)型下,本文控制方法下的直流母線電壓在故障發(fā)生后,電壓的波動(dòng)幅度比文獻(xiàn)[1]提出的基于固態(tài)變壓器直流側(cè)電壓平衡控制的SVPWM方法和文獻(xiàn)[2]提出的電網(wǎng)故障下的電能路由器直流電容電壓平衡控制方法下的波動(dòng)幅度小,說(shuō)明使用本文方法,能夠使電壓不對(duì)稱(chēng)故障對(duì)變流器的沖擊有所降低,提高了電網(wǎng)的故障穿越能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)的直流母線電壓平衡控制方法中所存在的問(wèn)題進(jìn)行分析和研究,設(shè)計(jì)了一種不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)故障下直流母線電壓平衡控制方法。本文方法的研究重點(diǎn)如下:

1)通過(guò)分析光伏電池的等效電路,得到開(kāi)路電壓、短路電流、最大輸出功率等參數(shù)的測(cè)試值計(jì)算公式,完成光伏陣列數(shù)學(xué)模型的建立。

2)分析鎖相環(huán)矢量關(guān)系圖,采用鎖相環(huán)技術(shù)消除諧波分量,完成電網(wǎng)相位檢測(cè)。

3)采用電壓下垂控制方法,根據(jù)恒定的滯環(huán)寬度得到瞬時(shí)電感的電流波形,完成直流母線輸出電壓的控制。

通過(guò)仿真,驗(yàn)證了本文方法的有效性。但是由于時(shí)間問(wèn)題,本文的研究還有一些缺陷和不足,在仿真中的結(jié)果僅能作為參考,與實(shí)際工作相比存在一定的差距,因此在后續(xù)的研究中,需要在實(shí)際的電網(wǎng)工作中進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的有效性。