姚福明,嚴(yán)晶鋮,白 維,王翰文,曾成碧
(1.國家能源集團(tuán)國能大渡河新能源投資有限公司, 成都 610041;2.四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 成都 610065;3.四川革什扎水電開發(fā)有限責(zé)任公司, 四川 甘孜 626300)
固態(tài)變壓器(solid state transformer,SST)是通過電力電子技術(shù)及高頻變壓器實(shí)現(xiàn)能量傳遞和電力變換的新型設(shè)備。SST不僅具有傳統(tǒng)變壓器的基本功能,還可實(shí)現(xiàn)交流側(cè)無功功率補(bǔ)償、高次諧波抑制、端口雙向潮流控制等功能[1],在可再生能源接入發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用方面具有廣闊前景。
SST并聯(lián)運(yùn)行可以提高輸出電能的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。固態(tài)變壓器并聯(lián)運(yùn)行的控制策略主要有主從控制和下垂控制[2]。在解決環(huán)流過大和功率分配不均等問題時,下垂控制具有較大優(yōu)勢。但當(dāng)系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行模式時,因為各個輸電線路可能存在不同值的線路阻抗,傳統(tǒng)的下垂控制方法會導(dǎo)致功率不能均分,進(jìn)而在各臺變壓器之間出現(xiàn)較大環(huán)流,破壞系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此,在對SST的控制策略進(jìn)行優(yōu)化時,不僅要考慮端口所在系統(tǒng)的功率平衡需求,還要考慮SST自身的線路阻抗是否匹配,在保證系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行。
蘭征等[3]重點(diǎn)研究了SST并聯(lián)運(yùn)行時的下垂控制原理,提出了一種自適應(yīng)的控制策略,在功率均分和環(huán)流抑制方面具有較好效果,并獲得了較好的動態(tài)性能。付國宏等[4]提出了一種關(guān)于有功與無功的二次函數(shù),并成功將其應(yīng)用于下垂控制環(huán)節(jié)。該方法首先計算各SST的額定容量占總?cè)萘康谋壤?,然后按比例進(jìn)行功率分配,自適應(yīng)地調(diào)節(jié)下垂系數(shù),使得SST按比例分配負(fù)荷,減小線路阻抗不匹配造成的環(huán)流與功率誤差。但該方法在投切負(fù)荷時波動大,存在較大隱患。涂春鳴等[5]研究了基于SST的微網(wǎng)相間潮流控制方法,對下垂控制環(huán)節(jié)進(jìn)行參數(shù)修正,能有效調(diào)整微網(wǎng)內(nèi)的功率交換,實(shí)時減小電壓和頻率偏差。但該方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜,硬件實(shí)現(xiàn)困難,且費(fèi)用較高。張國榮等[6]和石賽美等[7]分析了環(huán)流產(chǎn)生原因,在電壓和電流雙閉環(huán)控制中加入虛擬阻抗參數(shù)來抑制環(huán)流,減小無功均分誤差,但該方法忽略了虛擬阻抗過大會造成較大電壓降的問題,且沒有增加電壓補(bǔ)償,降低了系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。
SST并聯(lián)運(yùn)行控制存在設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜、改善效果不明顯或耗費(fèi)大等問題,為此,提出一種自適應(yīng)虛擬阻抗的控制策略,將固態(tài)變壓器在并聯(lián)運(yùn)行時低壓輸出級輸出的初始功率與標(biāo)準(zhǔn)功率進(jìn)行比較判斷,自適應(yīng)地調(diào)整各并聯(lián)固態(tài)變壓器的虛擬阻抗值,以達(dá)到有功與無功的快速有效均分、降低SST間環(huán)流的目的。同時,為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和動態(tài)性,在下垂控制中增加頻率和電壓自適應(yīng)補(bǔ)償2個環(huán)節(jié)。通過仿真和實(shí)物平臺驗證改進(jìn)措施的有效性。
SST類型可分為兩類:AC/AC型和AC/DC/AC型SST。AC/AC型結(jié)構(gòu)相對簡單,耗材較低,具有高(中)頻變壓器一、二次側(cè)間同步調(diào)制、解調(diào)等功能,但存在可控性差、一次側(cè)功率因數(shù)難以整定等缺點(diǎn),對新能源發(fā)電輸出的電能質(zhì)量提升較小。而AC/DC/AC型含有直流環(huán)節(jié),電網(wǎng)輸入的AC電壓經(jīng)過SST的一次側(cè)整流、逆變環(huán)節(jié)輸出為高頻方波,通過SST磁耦合至二次側(cè),再經(jīng)二次側(cè)AC/DC/AC輸出AC電壓。相對AC/AC型SST,AC/DC/AC型SST構(gòu)成原件較多,不僅具有AC/AC型SST的功能,還能高效調(diào)節(jié)兩側(cè)電壓、電流和輸出功率[8-9]。在孤島運(yùn)行時,AC/DC/AC固態(tài)變壓器的應(yīng)用較為廣泛,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。2臺SST并聯(lián)運(yùn)行圖見圖2。
圖1 AC/DC/AC固態(tài)變壓器結(jié)構(gòu)
圖2 2臺SST并聯(lián)運(yùn)行圖
圖3 等效電路
在簡單系統(tǒng)中,可通過對控制參數(shù)及LC濾波器的合理設(shè)計使得內(nèi)電勢至負(fù)載處的等效線路呈感性,即若Xi>>Ri且相角差很小,則可將Ri看作是0[10]。因此得出簡化的功率輸出表達(dá)式為:
(1)
(2)
其中:i=1、2,為并聯(lián)之路的任意支路。
由式(1)可以看出,各SST輸出的有功功率Pi取決于其輸出電壓與負(fù)載電壓的相角差。由于角速度是相角差值與時間微分所得,且角速度等于頻率乘以2π,故輸出電壓與負(fù)載電壓不變的情況下,可通過有功功率P控制頻率。在式(2)中,無功功率Qi由輸出電壓與負(fù)載電壓決定。因此,可再生發(fā)電系統(tǒng)呈感性時,SST采用的P-f、Q-V下垂控制方程為[11]:
fi=fN-mi(Pi-Pn)
(3)
Ui=UN-ni(Qi-Qn)
(4)
其中:mi、ni為下垂系數(shù);UN、fN分別為空載時各SST輸出電壓值和頻率值;Pn,Qn分別為有功和無功功率的額定值。
將式(4)代入式(2)中得到SST無功輸出的另一個表達(dá)式:
(5)
由式(5)可得SST無功輸出與負(fù)載電壓、空載SST輸出電壓、線路阻抗的關(guān)系,進(jìn)而得到各SST的無功輸出偏差為:
(6)
當(dāng)下垂系數(shù)不變時可化簡為:
(7)
由式(7)可知,各SST之間的無功偏差在負(fù)載電壓、空載SST輸出電壓和下垂系數(shù)不變的情況下由等效輸出阻抗決定。使用傳統(tǒng)控制策略時,會因為等效輸出阻抗的不匹配而直接導(dǎo)致SST輸出的無功功率偏差過大,此時會對系統(tǒng)正常運(yùn)行造成嚴(yán)重影響[12]。
在系統(tǒng)為感性的情況下,由圖3可得流過線路阻抗的電流為:
(8)
(9)
由式(8)和(9)可知,當(dāng)?shù)刃ё杩购蚐ST輸出端電壓幅值與相位不同時,其相應(yīng)產(chǎn)生的線路電流的相位與幅值不同,會在并聯(lián)系統(tǒng)中產(chǎn)生環(huán)流。環(huán)流表達(dá)式為:
(10)
當(dāng)2臺SST并聯(lián)運(yùn)行,由于各并聯(lián)線路長短、使用材料不同等原因?qū)е戮€路阻抗不匹配時,則必然會導(dǎo)致SST并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)之間產(chǎn)生環(huán)流。等效線路阻抗匹配差異度和輸出電壓差異度越大,產(chǎn)生的環(huán)流越大[13]。如何減小SST并聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行時的環(huán)流是研究熱點(diǎn)。
在電壓電流雙閉環(huán)中加入自適應(yīng)虛擬阻抗能有效提高無功功率分配精度,抑制環(huán)流[14]。自適應(yīng)的虛擬阻抗可以通過相關(guān)參數(shù)的變化不斷調(diào)整自身值,減少各SST之間的阻抗差異。計入虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程示意圖如圖4所示[15-16]。采用電壓電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu),將電感電流作為反饋信號,以系統(tǒng)中某臺逆變器控制為例。
圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程示意圖
圖5 電壓電流雙閉環(huán)控制示意圖
(11)
[ZV(s)Gin(s)+Zo(s)]I0(s)
(12)
(13)
(14)
在感性情況下ZV(s)=sLV,將其代入式(14)可得
(15)
目前,大量研究虛擬阻抗的文獻(xiàn)中設(shè)定了虛擬阻抗基礎(chǔ)值,但都默認(rèn)加在等效線路阻抗較低的一側(cè),但實(shí)際應(yīng)用中無法測量等效線路阻抗較低處。為解決該問題,同時減小SST并聯(lián)運(yùn)行時的功率均分誤差和系統(tǒng)環(huán)流,提出一種新型自適應(yīng)虛擬阻抗:
(16)
將各個逆變器的無功容量與總輸出無功功率的比例權(quán)重計算所得值Qrefi作為各自的給定無功參考值,表達(dá)式為:
(17)
對于有功電流的分配問題,由于在頻率控制環(huán)中采用PI控制,系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時,頻率達(dá)到同步,即有ω1=ω2=…=ωn。如果容量相同的SST的下垂系數(shù)相等,那么有功功率就能得到均分。對于無功功率,因為控制環(huán)中沒有積分環(huán)節(jié),穩(wěn)態(tài)時無功電流受饋線阻抗、負(fù)載突變、頻率偏差等因素導(dǎo)致電壓跌落,加大了無功電流的均分難度,因此需要進(jìn)行電壓補(bǔ)償。對應(yīng)的電壓補(bǔ)償表達(dá)式為:
(18)
為了消除無功功率的波動,在式(18)中加入微分環(huán)節(jié),提升系統(tǒng)運(yùn)行時的響應(yīng)性能。改進(jìn)后的表達(dá)式為:
(19)
其中,K3和K4為電壓補(bǔ)償相系數(shù)。同時,為降低頻率偏差的影響,在f-Pi方程中增加有功微調(diào)補(bǔ)償相,對應(yīng)的改進(jìn)下垂控制總體方程為:
(20)
其中,K5、K6和K7為增加的有功微調(diào)補(bǔ)償修正系數(shù)。
改進(jìn)控制策略整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。首先,對虛擬阻抗進(jìn)行改進(jìn),降低功率均分誤差和系統(tǒng)環(huán)流;其次,針對系統(tǒng)中存在的電壓跌落和頻率波動問題對傳統(tǒng)下垂控制進(jìn)行優(yōu)化。
圖6 改進(jìn)控制策略的整體結(jié)構(gòu)框圖
為驗證改進(jìn)下垂控制策略的有效性,在Matlab平臺搭建多臺SST并聯(lián)運(yùn)行的仿真模型,具體參數(shù)如表1所示。根據(jù)不同運(yùn)行情況來檢驗改進(jìn)后的控制策略。
表1 仿真參數(shù)
在容量相同的情況下,并聯(lián)系統(tǒng)在開始運(yùn)行時接入負(fù)載1,在1 s時接入負(fù)載2,在2 s時切除負(fù)載2,相應(yīng)波形如圖7和圖8所示。通過圖7的(a)—(c)可以發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)控制方法和改進(jìn)控制方法在并聯(lián)運(yùn)行、負(fù)載投切過程中,SST1和SST2輸出的有功功率最終都能實(shí)現(xiàn)均分。但加入新型虛擬阻抗控制和改進(jìn)下垂控制策略后,有功功率均分的動態(tài)性能得到明顯提升。
圖7 各種控制策略下SST輸出有功仿真結(jié)果
圖8 各種控制策略下SST輸出無功仿真結(jié)果
通過圖8和圖9可知,傳統(tǒng)控制策略無法實(shí)現(xiàn)無功均分,無功功率震蕩較大,在SST之間也存在較大環(huán)流。使用自適應(yīng)虛擬阻抗策略后,無功功率均能準(zhǔn)確且快速地均分,但無功功率震蕩依舊存在。此時加入改進(jìn)的下垂控制策略后,無功功率能快速均分,且無功功率震蕩被抑制,對應(yīng)的環(huán)流大大降低,充分驗證了所提出的自適應(yīng)虛擬阻抗和改進(jìn)下垂控制策略在功率均分、環(huán)流抑制方面的優(yōu)越性,表明其具有良好的動態(tài)性能。
圖9 SST輸出電流與環(huán)流仿真波形
當(dāng)負(fù)荷投切過程與情況1相同,但2臺SST之間的容量比為2∶1時,通過對下垂控制式(3)和式(4)的分析可知,穩(wěn)定運(yùn)行時SST的下垂系數(shù)需滿足式n1Q1=n2Q2,m1P1=m2P2。因此在SST之間的額定容量比2∶1時,對仿真參數(shù)進(jìn)行調(diào)整使得2X1=X2、2m1=m2、2n1=n2,其他參數(shù)不變,則2臺SST的輸出P1、P2與Q1、Q2的比值都為2∶1。在新控制策略下,對應(yīng)的P、Q輸出波形如圖10所示。可以看出,2臺SST輸出的無功與有功的功率比值均為2∶1,在投切負(fù)載時同樣具有快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。
圖10 加入改進(jìn)策略的不同容量SST并聯(lián)運(yùn)行仿真結(jié)果
搭建的逆變器硬件實(shí)物平臺如圖11所示。實(shí)驗以型號為TMS320C6657的DSP數(shù)字信號板為控制核心,在PE-iewX軟件使用C語言編程。實(shí)驗中,PE-Expert4控制機(jī)柜內(nèi)主要使用的3個基板分別是型號為TMS320C6657的DSP板、高載波頻率PEV板和ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換基板。可以提供以下幾種功能:① SST的U、W相與直流側(cè)電流信號的采集與處理運(yùn)算;② 逆變器的U相、W相與直流側(cè)電壓信號的采集與處理運(yùn)算;③ Upcc處三相電壓與電流信號的采集與處理運(yùn)算;④ 對逆變器的功率開關(guān)管輸入PWM控制信號。所采用的并聯(lián)SST控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖12所示。
圖11 逆變器硬件實(shí)物平臺
圖12 并聯(lián)SST控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖
實(shí)驗硬件參數(shù)如表2所示,控制參數(shù)與仿真設(shè)置相同。
表2 實(shí)驗硬件參數(shù)
采用改進(jìn)策略前后的實(shí)驗波形如圖13和14所示,其中I1為SST1輸出的電流,I2為SST2輸出的電流,IH= (I1-I2)為環(huán)流。
圖13 不同控制策略下并聯(lián)SST的輸出無功功率
傳統(tǒng)下垂控制策略的輸出無功與電流見圖13(a)和圖14(a)。由于線路阻抗存在差異,輸出電流存在一定的幅值差,2臺SST間的環(huán)流較大,存在無功不能均分的問題。加入新型虛擬阻抗策略后的實(shí)驗波形見圖13(b)。兩逆變器輸出具有較好的均流特性,實(shí)現(xiàn)了環(huán)流的降低與功率的均分,但無功功率震蕩較為嚴(yán)重。加入電壓與頻率補(bǔ)償后的輸出無功與電流見13(c)和14(b),此時環(huán)流被極大抑制,功率均分效果大為改善,功率震蕩有效降低。
圖14 SST輸出電流和環(huán)流實(shí)驗波形
1) 提出了一種改進(jìn)的虛擬阻抗控制策略,將各個SST的額定輸出無功與總無功容量的比例作為基準(zhǔn),量出各個SST初始輸出功率,與基準(zhǔn)功率進(jìn)行一系列的比較判斷,自適應(yīng)地調(diào)整虛擬阻抗值,使并聯(lián)運(yùn)行的SST的輸出功率達(dá)到均分標(biāo)準(zhǔn),從而抑制系統(tǒng)環(huán)流,提高能源利用率。
2) 在傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)上增加頻率和電壓自適應(yīng)補(bǔ)償兩個環(huán)節(jié),有效降低電壓偏差和頻率偏差帶來的無功功率振蕩等影響,提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力。仿真和實(shí)驗結(jié)果證明了補(bǔ)償環(huán)節(jié)的有效性。