王強(qiáng), 楊策, 郭偉, 林賀凱

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學(xué) 智慧能源技術(shù)湖北省工程研究中心,湖北 宜昌 443002)

0 引 言

隨著大規(guī)模新能源對(duì)火電機(jī)組的逐漸替代,電網(wǎng)將呈現(xiàn)低慣量、高電力電子化等特點(diǎn),這些特點(diǎn),不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。而將同步電機(jī)對(duì)(motor-generator pair,MGP)技術(shù)用于間歇性新能源并網(wǎng)是近年來(lái)研究的一個(gè)方向,可以使新能源場(chǎng)站具備同步電機(jī)的優(yōu)良屬性,有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[3]。主要體現(xiàn)在:新能源場(chǎng)站具備了真實(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、擁有了較強(qiáng)的慣性響應(yīng)、增加了電網(wǎng)的頻率支撐能力[4-5];同時(shí)在電網(wǎng)故障時(shí),可以提供阻尼和無(wú)功功率支撐,加快電網(wǎng)電壓的恢復(fù)[6-7],提高新能源場(chǎng)站的高、低電壓穿越能力[8-9]。

考慮到在實(shí)際新能源并網(wǎng)系統(tǒng)中,單臺(tái)逆變器容量有限,難以滿足新能源場(chǎng)站的容量要求[10];同時(shí)設(shè)計(jì)單臺(tái)大容量逆變器的難度較高、經(jīng)濟(jì)性較差,故新能源場(chǎng)站通常采用多逆變器并聯(lián)的方式,來(lái)滿足其并網(wǎng)容量要求[11]。同樣,對(duì)于新能源場(chǎng)站中,用于驅(qū)動(dòng)MGP的逆變器來(lái)說(shuō),也應(yīng)采用并聯(lián)的方式,來(lái)滿足新能源場(chǎng)站的并網(wǎng)容量要求[12]。

文獻(xiàn)[13]提出一種基于源網(wǎng)相位差的功率反饋控制方法,這種方法通過(guò)MGP輸出功率的變化,來(lái)得到頻率信號(hào)的微調(diào)量,從而實(shí)現(xiàn)逆變器對(duì)MGP的驅(qū)動(dòng),但這種方法中的頻率信號(hào)只針對(duì)單臺(tái)逆變器,不適用于多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的場(chǎng)合。文獻(xiàn)[14-15]通過(guò)對(duì)逆變器與同步電機(jī)的研究,提出逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的id=0矢量控制策略,該策略通過(guò)對(duì)各個(gè)逆變器q軸電流的控制,來(lái)實(shí)現(xiàn)多逆變并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP。但在理論和仿真研究中,發(fā)現(xiàn)其存有一定的局限性,當(dāng)MGP出力較大時(shí),有可能會(huì)使得連接于MGP輸入側(cè)的逆變器輸出功率因數(shù)過(guò)低,將導(dǎo)致難以保證MGP的有功傳輸效率;并且當(dāng)前新能源場(chǎng)站多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的研究,主要集中于等容量、同出力情況,其應(yīng)用場(chǎng)景較為單一。

本文在逆變器電流環(huán)控制與同步電機(jī)單位功率因數(shù)(unity power factor,UPF)控制的基礎(chǔ)上,提出多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的UPF控制策略,該策略采用UPF計(jì)算MGP中同步電動(dòng)機(jī)的定子d、q軸電流,并通過(guò)電流分配系數(shù),將其分配到各臺(tái)逆變器電流環(huán)控制當(dāng)中,從而在多逆變器容量相等或不等、出力相同或不同的情況下,均可實(shí)現(xiàn)對(duì)MGP的驅(qū)動(dòng)。為了更好地服務(wù)于工程實(shí)踐,本文進(jìn)行相關(guān)仿真研究,結(jié)果表明所提控制策略可以很好地保證新能源場(chǎng)站全工況下MGP的有功傳輸效率。

1 逆變器驅(qū)動(dòng)MGP的工作原理

逆變器主電路如圖1所示,其輸出側(cè)的回路控制方程為:

(1)

圖1 逆變器主電路圖

式中:ua、ub、uc為逆變器輸出側(cè)相電壓;ea、eb、ec為濾波器輸出側(cè)相電壓;ia、ib、ic為逆變器輸出側(cè)相電流;R、L為逆變器濾波電感的等效電阻和電感值。

為實(shí)現(xiàn)功率解耦,逆變器的并網(wǎng)控制通常采用dq坐標(biāo)系,因此可將式(1)轉(zhuǎn)變?yōu)?

(2)

式中:ud、uq為逆變器輸出側(cè)相電壓的d、q軸分量;id、iq為逆變器輸出側(cè)相電流的d、q軸分量;ed、eq為濾波器輸出側(cè)相電壓的d、q軸分量。

根據(jù)式(2)建立逆變器電流環(huán)控制,如圖2所示,其中的控制參數(shù)均采用標(biāo)幺值,通過(guò)對(duì)電流環(huán)進(jìn)行兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的解耦,從而得到dq軸坐標(biāo)下的電壓參考值,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)逆變器輸出功率的解耦控制。

圖2 逆變器電流環(huán)控制

MGP系統(tǒng)位于逆變器與電網(wǎng)之間,由一臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)和一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)同軸連接構(gòu)成。由于MGP中兩臺(tái)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩耦合,因此,當(dāng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞電流使得電磁轉(zhuǎn)矩增大時(shí),就會(huì)使得MGP的功角增大,而功角的增大,將會(huì)使MGP的傳輸功率增加[14]。

dq坐標(biāo)系下同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式[16]為

Te=1.5np(ψsdisq-ψsqisd)。

(3)

式中:np為同步電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù);ψsd、ψsq為同步電動(dòng)機(jī)定子磁鏈的d、q軸分量;isd、isq為同步電動(dòng)機(jī)定子電流的d、q軸分量。

結(jié)合逆變器電流環(huán)控制和式(3)可知,當(dāng)多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP時(shí),可通過(guò)各個(gè)逆變器的電流環(huán)控制,來(lái)改變MGP中電動(dòng)機(jī)定子d、q軸電流的大小,從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié),達(dá)到控制MGP功率傳輸?shù)哪康摹?/p>

2 MGP中id=0矢量控制下逆變器輸出功率因數(shù)分析

由第1節(jié)分析可知,多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的核心,在于同步電動(dòng)機(jī)定子d、q軸電流的控制。而當(dāng)前常采用多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的id=0矢量控制策略,其控制如圖3所示,圖中參數(shù)均為標(biāo)幺值,且n臺(tái)逆變器的額定容量相等、MGP與新能源場(chǎng)站額定容量之比為m。該策略將MGP中同步電動(dòng)機(jī)的定子d軸電流置0,通過(guò)控制同步電動(dòng)機(jī)定子q軸電流來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié),從而達(dá)到控制MGP功率傳輸?shù)哪康摹?/p>

圖3 多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的id=0矢量控制策略

同步電動(dòng)機(jī)d、q軸電壓、磁鏈方程[17]為:

(4)

(5)

式中:usd、usq為同步電動(dòng)機(jī)定子電壓的d、q軸分量;if為勵(lì)磁電流;iDd、iDq為阻尼繞組中電流的d、q軸分量;Rs為定子等效電阻;Ld、Lq為定子繞組的d、q軸等效電感;Lmd、Lmq為d、q軸電樞感應(yīng)電感。

(6)

式中ψ=Lmdif,為勵(lì)磁電流在d軸電樞感應(yīng)電感上產(chǎn)生的磁鏈。

根據(jù)式(3)與磁鏈方程(5)可以得出

(7)

為了解當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)定子電流變化時(shí),磁鏈ψ的變化情況,從而分析同步電機(jī)的功率因數(shù),將磁鏈ψ對(duì)定子q軸電流isq求導(dǎo),可得

(8)

由式(8)可知,當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的定子q軸電流增大時(shí),其磁鏈ψ將所隨之減少。

當(dāng)同步電機(jī)定子電流的d軸分量為0時(shí),其功率因數(shù)角可以表示為

(9)

同步電機(jī)的功率因數(shù)為

(10)

在id=0矢量控制模式下,同步電動(dòng)機(jī)出力增大時(shí),其負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大,定子電流的q軸分量增大,由式(8)可知,磁鏈ψ減小,此時(shí)由式(9)和式(10)可知,電機(jī)的功率因數(shù)角增大,功率因數(shù)減小。若忽略MGP中的功率損耗,則MGP中同步電動(dòng)機(jī)輸出的有功功率與同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率相等。也就是說(shuō),在id=0矢量控制模式下,MGP的出力較大時(shí),有可能會(huì)使得連接于MGP輸入側(cè)的逆變器輸出功率因數(shù)過(guò)低,將導(dǎo)致難以保證MGP的有功傳輸效率。

3 多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的UPF控制

同步電動(dòng)機(jī)的單位功率因數(shù)(UPF)控制可以使得同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)達(dá)到接近或等于1的效果。因此,同步電動(dòng)機(jī)定子d、q軸電流的控制可以采用UPF來(lái)計(jì)算,從而使得多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP時(shí),盡可能多的輸出有功功率。

同步電動(dòng)機(jī)定子電流方向,按慣例,輸入方向?yàn)檎?但考慮到MATLAB/Simulink中同步電機(jī)模型中的定子電流是以輸出電流作為正方向。因而,在通過(guò)單位功率因數(shù)(UPF)來(lái)求解定子d、q軸電流時(shí),同步電動(dòng)機(jī)定子電流應(yīng)以輸出電流作為電流正方向,此時(shí)同步電動(dòng)機(jī)的電壓、磁鏈方程如下:

(11)

(12)

結(jié)合式(3)和式(12),dq坐標(biāo)系下同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可以寫成:

Te=1.5np[ψisq-(Ld-Lq)isdisq]。

(13)

由于同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩標(biāo)幺表達(dá)式中無(wú)1.5np項(xiàng),故磁鏈ψ的標(biāo)幺表達(dá)式為

(14)

當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)滿足單位功率因數(shù)條件時(shí),其定子電壓、電流的矢量同相,即

(15)

(16)

根據(jù)式(16),去掉超過(guò)電流最大值的解,isd可以用is表示為

(17)

同步電機(jī)定子q軸電流isq可表示為

(18)

同步電機(jī)的UPF控制的核心就是通過(guò)式(14)、式(17)、式(18)計(jì)算同步電動(dòng)機(jī)定子d、q軸電流的參考值,從而保證同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)接近或等于1。

多元三次方程求解較為復(fù)雜,但若能直接采集同步電動(dòng)機(jī)定子d、q軸電流計(jì)算磁鏈ψ,將磁鏈ψ當(dāng)作已知量,則同步電動(dòng)機(jī)定子d、q軸參考電流可直接計(jì)算得出,這將會(huì)大大降低計(jì)算難度。

假設(shè)可以直接采集同步電動(dòng)機(jī)定子d、q軸電流來(lái)計(jì)算磁鏈ψ。由式(14)、式(18)可知,磁鏈ψ對(duì)直接采集定子d軸電流isd的導(dǎo)函數(shù)為

(19)

式中:同步電動(dòng)機(jī)定子以輸出電流作為電流正方向,故其電磁轉(zhuǎn)矩Te為負(fù)值,并且單位功率因數(shù)控制時(shí),其定子d軸電流isd為正值,定子q軸電流isq為負(fù)值。

(20)

在上述分析的基礎(chǔ)之上,結(jié)合逆變器電流環(huán)控制與同步電動(dòng)機(jī)UPF控制,可以得到如圖4所示的多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的UPF控制策略,控制策略中的參數(shù)均采用標(biāo)幺值,其中ki為第i個(gè)逆變器的電流分配系數(shù),由于同步電動(dòng)機(jī)定子電流以輸出方向?yàn)檎较?與逆變器輸出電流方向相反,故ki為負(fù)值。

圖4 多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的UPF控制策略

當(dāng)?shù)热萘?、同出力多逆變器并?lián),且MGP與新能源場(chǎng)站額定容量相同時(shí),其電流分配系數(shù)ki為

ki=-1。

(21)

但等容量、同出力多逆變器并聯(lián),僅適用于單一的光伏電站或風(fēng)電場(chǎng),且該新能源場(chǎng)站中的光照強(qiáng)度或風(fēng)速需默認(rèn)相同。

為使多逆變器并聯(lián)適用于多臺(tái)逆變器容量相等或不等、出力相同或不同的全工況情況,本文基于逆變器電流標(biāo)幺值、逆變器額定容量之比、MGP與新能源場(chǎng)站額定容量之比,得到每臺(tái)逆變器的電流分配系數(shù),即每臺(tái)逆變器實(shí)際電流與n臺(tái)逆變器實(shí)際電流總和的比,即

(22)

式中:ii為第i個(gè)逆變器的電流參考值,是以第i個(gè)逆變器額定容量為基準(zhǔn)值,所得到的標(biāo)幺值;多個(gè)逆變器額定容量之比為n1∶n2∶n3∶…∶nn;m是MGP與新能源場(chǎng)站額定容量之比。

此時(shí)多逆變器并聯(lián),不僅適用于單一的光伏電站或風(fēng)電場(chǎng),還適用于既含有風(fēng)電又含有光伏的新能源場(chǎng)站;不僅適用于光照強(qiáng)度、風(fēng)速等環(huán)境因素完全相同的新能源場(chǎng)站,還適用于光照強(qiáng)度、風(fēng)速等環(huán)境因素存在差異的新能源場(chǎng)站;不僅適用于集中式新能源場(chǎng)站驅(qū)動(dòng)MGP的場(chǎng)合,還適用于分布式新能源場(chǎng)站聯(lián)合驅(qū)動(dòng)MGP的場(chǎng)合。

4 仿真分析

圖5為3臺(tái)逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的原理圖,仿真過(guò)程中,新能源場(chǎng)站的總額定容量設(shè)為60 MVA,直流電源電壓都設(shè)為500 V,MGP中同步電機(jī)的額定電壓為4 000 V,其他參數(shù)見(jiàn)表1 仿真參數(shù)。

表1 仿真參數(shù)

圖5 三臺(tái)逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的原理圖

4.1 MGP的id矢量控制策略仿真分析

4.1.1id=0矢量控制模式

進(jìn)行id=0矢量控制模式下,多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的研究,設(shè)置MGP的額定容量等于新能源的額定容量,且3臺(tái)逆變器的出力保持相同。通過(guò)設(shè)定逆變器電流參考值i*分別為1、0.9、0.8、…、0.2、0.1來(lái)模擬新能源的不同出力,其仿真結(jié)果見(jiàn)表2id=0模式下逆變器輸出側(cè)功率因數(shù),表中P、Q、S和cosφ分別為逆變器輸出側(cè)有功功率、無(wú)功功率、視在功率和功率因數(shù)。

表2 id=0模式下逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)

新能源場(chǎng)站額定容量與MGP的額定容量相同時(shí),兩者出力情況幾乎一致,若忽略逆變器與MGP中的功率損耗,可認(rèn)為新能源經(jīng)逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP并網(wǎng)的有功傳輸效率與逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)在數(shù)值上相等。

由表2可知,當(dāng)新能源與MGP出力在20%以下,MGP輕載運(yùn)行時(shí),逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)接近于1,可保證新能源經(jīng)逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP并網(wǎng)的有功傳輸效率。然而,當(dāng)新能源與MGP的出力增加時(shí),逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)隨之越低,甚至當(dāng)新能源額定容量運(yùn)行時(shí),其功率因數(shù)只能達(dá)到0.506,無(wú)法保證新能源通過(guò)MGP并網(wǎng)有功傳輸效率。

設(shè)置MGP與新能源場(chǎng)站的額定容量之比為m,分別在m取1、2、4、6的情況下進(jìn)行上述仿真,其仿真結(jié)果見(jiàn)圖6,該圖是id=0矢量控制模式下逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)。

圖6 id=0矢量控制模式下逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)

由圖6可知,新能源出力相同時(shí),m越大,MGP的出力越低,逆變器側(cè)功率因數(shù)越高;m相同時(shí),新能源出力越大,MGP的出力就越高,逆變器功率因數(shù)越低。在m為1、2、4、6時(shí),逆變器側(cè)功率因數(shù)的最小值分別為0.506、0.902、0.976、0.990。若要讓逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)接近1,從而使得新能源通過(guò)MGP并網(wǎng)的有功傳輸效率盡可能高,則應(yīng)控制MGP的額定容量是新能源額定容量的6倍左右。

在多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的id=0矢量控制策略下,若MGP的額定容量與新能源額定容量相等,則在MGP出力較大時(shí),無(wú)法保證新能源通過(guò)MGP并網(wǎng)的有功傳輸效率;若使MGP的額定容量是新能源額定容量的6倍左右,來(lái)保證MGP的有功傳輸效率,則MGP容量的提升不僅會(huì)增大投資成本,還會(huì)對(duì)MGP的容量使用造成嚴(yán)重浪費(fèi),并且MGP中同步電機(jī)的長(zhǎng)期輕載運(yùn)行還會(huì)影響其使用壽命,嚴(yán)重時(shí),還會(huì)造成同步電機(jī)故障。

4.1.2id給定矢量控制模式

當(dāng)前,多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP有id=0矢量控制模式和id給定矢量控制模式,常采用id=0矢量控制模式[14-15]。前文對(duì)id=0矢量控制模式進(jìn)行了理論和仿真分析,分析了這種方法所存在的一些問(wèn)題。為進(jìn)一步研究,本節(jié)主要對(duì)id給定矢量控制模式進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

進(jìn)行id給定矢量模式下,3臺(tái)逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的研究,在仿真過(guò)程中,設(shè)定MGP的額定容量與新能源額定容量相同,且3臺(tái)逆變器的出力保持相同。根據(jù)文獻(xiàn)[13]的功率反饋控制方法,可以得到新能源與MGP額定運(yùn)行時(shí),MGP中同步電動(dòng)機(jī)的定子d軸電流id為0.655。保持id=0.655不變,設(shè)定逆變器電流參考值i*分別為1、0.9、0.8、…、0.2、0.1來(lái)模擬新能源的不同出力,仿真結(jié)果見(jiàn)表3id=0.655模式下逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)。

表3 id=0.655模式下逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)

由表3可知,MGP與新能源額定運(yùn)行時(shí),逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)為1.000,而隨著新能源與MGP出力變化的增加,逆變器輸出側(cè)的功率因數(shù)在不斷降低,并且下降趨勢(shì)也越加明顯。當(dāng)新能源與MGP的出力變化在10%以內(nèi)時(shí),逆變器輸出側(cè)的功率因數(shù)可以達(dá)到0.970以上,可以較為有效地保證新能源通過(guò)MGP并網(wǎng)的有功傳輸效率;而當(dāng)新能源與MGP的出力變化達(dá)到30%后,逆變器輸出側(cè)的功率因數(shù)降低至了0.548,此時(shí),已無(wú)法保證MPG的有功傳輸效率。

與id=0矢量控制模式不同,在采用id給定矢量控制模式下,當(dāng)新能源與MGP在額定出力時(shí),逆變器輸出側(cè)的功率因數(shù)約等于1,足以保證新能源通過(guò)MGP并網(wǎng)的有功傳輸效率;且當(dāng)新能源與MGP出力在額定出力附近,即出力變動(dòng)不大時(shí),也可以有效地保證新能源通過(guò)MGP并網(wǎng)的有功傳輸效率;但當(dāng)新能源與MGP出力遠(yuǎn)離其額定出力,即出力變動(dòng)較大時(shí),難以保證MGP的有功傳輸效率。考慮到實(shí)際中,新能源出力通常具備間隙性和隨機(jī)性的特點(diǎn),故id給定矢量控制模式很難保證新能源通過(guò)MGP并網(wǎng)的有功傳輸效率。

4.2 MGP的UPF控制策略仿真分析

為了更好地使MGP系統(tǒng)在新能源場(chǎng)站中的應(yīng)用,服務(wù)于工程實(shí)踐,本節(jié)對(duì)UPF控制模式進(jìn)行了三逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的仿真研究。仿真過(guò)程中,設(shè)置MGP的額定容量等于新能源額定容量,且3臺(tái)逆變器的出力保持相同。設(shè)定逆變器電流的參考值i*分別為1、0.9、0.8、…、0.2、0.1來(lái)模擬新能源的不同出力,仿真結(jié)果見(jiàn)表4 UPF模式下逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)。

表4 UPF模式下逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)

由表4可知,雖然UPF控制模式下,新能源與MGP的出力增大時(shí),逆變器輸出側(cè)的功率因數(shù)仍呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì),但下降趨勢(shì)卻極不明顯。當(dāng)新能源與MGP出力10%時(shí),逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)可達(dá)到0.999 98,而當(dāng)新能源與MGP在額定出力時(shí),逆變器器輸出側(cè)功率因數(shù)最小,但仍可達(dá)到0.998 38,兩者只差0.001 60,可見(jiàn)新能源與MGP的出力大小對(duì)逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)的影響幾乎為0。

設(shè)置MGP與新能源場(chǎng)站的額定容量之比為m,分別在m取1、2、4、6的情況下進(jìn)行上述仿真,其仿真結(jié)果見(jiàn)圖7 UPF控制模式下逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)。

圖7 UPF控制模式下逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)

由圖7可知,在m為1、2、4、6時(shí),逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)在新能源額定出力下,達(dá)到最小值,分別為0.998 38、0.999 59、0.999 90、0.999 96。由此可知,新能源出力相同下,盡管m越大,MGP出力越低,逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)越大,但逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)最大值與最小值的差為0.001 58,微乎其微。故UPF控制模式下,增大MGP的額定容量,雖然也可以增加逆變器輸出的功率因數(shù),提高新能源通過(guò)MGP并網(wǎng)的有功傳輸效率,但提高有限,近似于0。并且考慮到MGP額定容量等于新能源額定容量時(shí),就可以使得逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.998以上,足以保證新能源通過(guò)MGP并網(wǎng)的有功傳輸效率,因此,無(wú)需額外花費(fèi)成本增大MGP的額定容量。

在UPF控制模式下,逆變器并聯(lián)側(cè)輸出功率因數(shù)只能達(dá)到0.998,接近于1,其難以達(dá)到1的主要原因?yàn)?在同步電動(dòng)機(jī)定子電流計(jì)算過(guò)程中,忽略了同步電動(dòng)機(jī)定子等效電阻及電流參數(shù)動(dòng)態(tài)變化的影響;在逆變器電流環(huán)控制當(dāng)中,忽略了濾波器中電容支路的電流,默認(rèn)了逆變器輸出總電流為同步電動(dòng)機(jī)定子流入電流。

4.3 UPF控制模式

4.3.1 等容量多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的仿真分析

設(shè)置3臺(tái)逆變器的電流參考值為i1、i2、i3,MGP的電流參考值為is,3臺(tái)逆變器的額定容量之比n1∶n2∶n3為1∶1∶1。仿真初始時(shí)刻,設(shè)置i1、i2、i3均為1;在10 s時(shí),將i1、i2、i3均減小到0.8,來(lái)模擬等容量、同出力情況;在15 s時(shí),將i1減小到0.6、i2減小到0.7、i3保持不變,來(lái)模擬等容量、不同出力情況。仿真結(jié)果見(jiàn)圖8 等容量下各臺(tái)逆變器有功輸出、圖9等容量下MGP與逆變器輸出有功和表5 等容量下MGP與逆變器輸出有功。表5中:P1、P2、P3分別為逆變器1、2、3輸出的有功功率;P123為3臺(tái)逆變器總輸出有功功率;PMGP為MGP輸出有功功率。

圖9 等容量下MGP與逆變器輸出有功

由圖8可知,等容量下,在第10 s逆變器電流指令變化相同時(shí),3臺(tái)逆變器出力情況相同,可快速響應(yīng)電流指令變化;在第15 s逆變器指令變化不同時(shí),3臺(tái)逆變器出力情況不同,分別跟隨其自身電流指令變化。

由圖9可知,等容量下,不管是同出力還是非同出力,MGP輸出的有功功率總是跟隨逆變器總輸出的有功功率,且當(dāng)新能源場(chǎng)站出力發(fā)生變化時(shí),逆變器的暫態(tài)過(guò)程不超過(guò)0.5 s,MGP的暫態(tài)過(guò)程不超過(guò)3 s。

將圖8與圖9中的有功功率數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,得到表5,由此可知,等容量下,無(wú)論是同出力還是不同出力,各逆變器與MGP輸出的有功功率基本上與其自身的電流指令成正比。

4.3.2 非等容量多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的仿真分析

設(shè)置3臺(tái)逆變器的額定容量之比n1∶n2∶n3為3∶2∶1。仿真初始時(shí)刻,設(shè)置i1、i2、i3均為1;在10 s時(shí),將i1、i2、i3均減小到0.8,來(lái)模擬非等容量、同出力情況;在15 s時(shí),將i1減小到0.6、i2減小到0.7、i3保持不變,來(lái)模擬非等容量、不同出力情況。仿真結(jié)果見(jiàn)圖10非等容量下各臺(tái)逆變器輸出有功、圖11非等容量下MGP與逆變器輸出有功和表6非等容量下MGP與逆變器輸出有功。

表6 非等容量下MGP與逆變器輸出有功

圖10 非等容量下各臺(tái)逆變器輸出有功

圖11 非等容量下MGP與逆變器輸出有功

由圖10可知,非等容量下,無(wú)論出力相同還是不同,3臺(tái)逆變器的出力都分別跟隨各自電流指令的變化而變化。

由圖11可知,非等容量下,不管是同出力還是非同出力,MGP輸出的有功功率總是跟隨著逆變器總輸出的有功功率,且MGP輸出有功的大小略低于逆變器總輸出的有功。在第10、15 s時(shí),新能源場(chǎng)站的3臺(tái)逆變器出力發(fā)生較大變化,導(dǎo)致MGP的輸入功率也隨之改變,給MGP中的同步電機(jī)帶來(lái)大干擾,發(fā)生了暫態(tài)過(guò)程,因此MGP的輸出功率發(fā)生了減幅振蕩過(guò)程,但由于同步電機(jī)的優(yōu)良屬性,振蕩時(shí)間較短,不足3 s。

將圖10與圖11中的有功功率數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,得到表6,由此可知,非等容量下,無(wú)論是同出力還是不同出力,各逆變器與MGP輸出的有功功率基本上與其自身的電流指令成正比。

在多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的UPF控制中,電流分配系數(shù)ki的存在,使得多逆變器在容量相等或不等、出力相同或不同的情況下,都可以很好地保證各臺(tái)逆變器與MGP的功率輸出。

5 結(jié) 論

本文分析了id=0和id給定矢量控制模式下,多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP有功傳輸效率的局限性,并結(jié)合工程實(shí)際,提出了多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的UPF控制策略。經(jīng)理論分析與仿真驗(yàn)證,可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)id=0矢量控制模式在MGP出力較大時(shí),以及id給定矢量控制模式在MGP出力變動(dòng)較大時(shí),都會(huì)導(dǎo)致逆變器輸出功率因數(shù)減小、難以保證新能源通過(guò)MGP并網(wǎng)的有功傳輸效率。

2)采用多逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)MGP的UPF控制策略,逆變器輸出側(cè)功率因數(shù)都在0.998以上,為新能源通過(guò)MGP并網(wǎng)的有功傳輸效率提供了保證。另外,利用磁鏈ψ與同步電動(dòng)機(jī)定子d軸電流具備負(fù)反饋的特性,將計(jì)算過(guò)程可從多元三次方程求解降為直接求解,并采用調(diào)整逆變器電流分配系數(shù)ki的措施,實(shí)現(xiàn)了逆變器與MGP輸出的有功功率相互匹配,可很好的適應(yīng)全工況場(chǎng)景、吻合工程的實(shí)際應(yīng)用需求。