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技術分享 | 多臺雙向變流器并聯下垂控制策略研究

技術分享 | 多臺雙向變流器并聯下垂控制策略研究

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【摘要】:
由分布式發電單元(DG)所構成的清潔環保,靈活可靠的微電網系統逐漸成為各國大力研究的熱點。微電網系統可以工作在兩種不同的模式,分別為并網運行模式與孤島運行模式。

 

一、背景

 

由分布式發電單元(DG)所構成的清潔環保,靈活可靠的微電網系統逐漸成為各國大力研究的熱點。微電網系統可以工作在兩種不同的模式,分別為并網運行模式與孤島運行模式。其孤島運行模式相當于一個自給自足的系統,不需要大電網支撐便能維持一定規模的系統穩定運行。然而,當微電網工作在孤島模式時,由于系統存在很大的隨機性,例如分布式發電源功率的波動性、線路阻抗和負載屬性的不一致性,母線電壓不理想等問題,失去大電網支撐的微電網逆變器必須具備很強的適應能力來維持孤島系統的安全可靠運行。較為簡單的微電網孤島運行控制策略會采用主從方式,即某個設備采用V/F控制,來穩定母線電壓,而其他設備采用P/Q模式運行,此時若工作在V/F模式下的設備出現故障時,系統中所有設備都會自動退出運行,導致系統癱瘓,除此之外系統中而且很難實現設備的即插即用功能。為了解決這個問題,可以采用下垂控制策略,這樣系統中各個設備不再分主從模式,各個設備會根據各自的下垂特性自行出力,這樣系統不會因為某個設備出現故障而癱瘓,同時也很容易實現設備的即插即用功能。

 

二、硬件簡述

 

實驗系統中功率模塊采用四臺研旭YXPVD015K高壓可編程直流電源和四臺三相三電平變流模塊YXPHM-TP310b,控制器采用研旭成熟的BOX1000。其整體控制系統搭建拓撲如下圖1所示。

 

圖1 系統拓撲圖

 

圖2:儲能變流器搭配高壓
 
直流可編程電源
 
表1  YXPHM-TP310主要參數表
 
表2  YXPHD電源主要參數

 

三、功能簡述

 

設備可以設定為PQ模式以及下垂模式,其中PQ模式只能運行在并網條件下,而下垂模式既可以工作在并網條件下也可以工作在離網模式下。

 

并網運行:當設備與主網連接時,此時設備工作在PQ模式下時,只需要設置P或者Q值,設備即可完成對應功率的運行,設定的功率正負值來決定設備能量的流動方向。在并網運行時,可以切換設備為下垂工作模式,在下垂模式下,用戶只能通過設定頻率值來決定能量的流動方向,只有頻率設定值高于當前電網頻率值時,設備才可以將能量饋入主網。兩臺設備都可以同時設置為下垂模式運行,互不干擾。

 

離網運行:當設備與主網斷開時,設備必須工作在下垂模式下,一旦設備工作在下垂模式下時,兩個設備都可以為負載供電,此時可以通過設定下垂系數決定各自的出力比例。若兩臺設備下垂系數設定一致時,此時兩臺設備平分負載功率,若某一臺的下垂系數設定大時,此時該臺設備會出力增加,另外一臺會對應減小。在離網運行模式下,可以先啟動一臺設備帶載,然后在啟動另外一臺設備,完成即插即用功能的測試。

 

四、算法簡述

 

PQ控制算法在此不多做介紹,此章節主要介紹下垂控制算法。下垂控制就是選擇與傳統發電機相似的頻率一次下垂特性曲線作為DG的控制方式,即分別通過P/f下垂控制和Q/V下垂控制來獲取穩定的頻率和電壓,這種控制方法對微源輸出的有功功率和無功功率分別進行控制。下面方程表示微源電壓頻率和幅值的下垂關系:

 

 

其中ωo為額定角頻率,Uo為額定電壓,kp和kq為逆變器的下垂系數,P和Q為逆變器實際輸出的有功和無功功率,Po和Qo為逆變器的額定有功和額定無功功率值。下算法框圖為下垂控制的主拓撲圖。

 

圖3 下垂算法拓撲圖

 

4.1 有功-頻率控制

 

有功-頻率控制實際上用于表征有功功率與系統頻率的下垂特性。下圖為有功功率與頻率的特性曲線圖:由此可知,隨著P的增加,ω值會有所下降,而隨著P的減小,ω值會有所上升,圖中的曲線斜率即為下垂頻率特性系數。所以多臺設備并聯為負載供電時,各個設備的出力多少由此特性系數決定。

 

圖4 P/f特性曲線

 

4.2 無功-電壓控制

 

無功-電壓控制用以實現無功功率和電壓幅值的下垂特性。無功-電壓控制主要根據微源輸出電壓幅值偏差與無功功率調整輸出電壓。其特性曲線如圖5所示:隨著Q增大,電壓U會下降,反之U會上升。圖中曲線的斜率即為下垂電壓特性系數。

 

圖5  Q/V特性曲線

 

五、測試實驗

 

兩臺儲能變流器并機運行實測

 

1、并網PQ模式,兩臺變流器工作在傳統的并網PQ模式下,分別設定兩臺DCAC的有功功率分別是5kw和8kw。變流器會根據設定功率穩定輸出。

 

 

2、并網下垂模式,分別設定兩臺變流器的頻率值高過50Hz,設置50.15和50.25兩組數據。此時變流器工作功率與設備的頻率設定值呈線性關系,可以看到同樣的工作狀態下,兩臺變流器的出力不同。

 

 

3、并網下垂模式下轉孤島運行模式,并網時同時連接三相負載,將電網開關斷開,瞬間電壓變化情況,變流器輸出平穩轉化。

 

 

4、孤島下垂模式,連接三相平衡負載,設置設備1下垂系數為0.0002,設置設備2下垂系數為0.0001,觀察設備功率輸出的特性。可以看出不同的下垂系數的控制下,變流器的出力是不同的。

 

 

 

 

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