不對稱電網(wǎng)故障下直流母線電壓平衡控制方法

邢陽陽,馬冬梅,黨曉圓,關正偉

(重慶移通學院智能工程學院,重慶 401520)

1 引言

在實際的電網(wǎng)運行過程中,發(fā)生的故障一般為三相不對稱故障。當電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時,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,對電網(wǎng)的危害較大,因此需要對直流母線的電壓進行平衡控制。

文獻[1]研究了單相任意單元數(shù)級聯(lián)H橋固態(tài)變壓器的SVPWM及其電壓平衡控制方法,運用固態(tài)變壓器電壓環(huán)控制一個H橋直流母線電壓,然后通過在SVPWM中增加一個新的控制環(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實現(xiàn)各個H橋均壓的目的,最后通過仿真驗證了該控制策略的正確性。文獻[2]提出了三層結構的直流電容電壓平衡控制策略,在對不平衡的功率進行理論分析的基礎上,通過動態(tài)調(diào)整定義的加權系數(shù),來靈活控制注入的零序電壓和負序電流各自承擔的相間移動功率,提高系統(tǒng)控制自由度。

由于上述兩種控制方法均采用儲能元件對電壓進行平衡,但是儲能元件本身在工作狀態(tài)下并不穩(wěn)定,導致直流母線電壓波動較大,直流母線電壓平衡控制結果不理想。因此本文設計一種不對稱電網(wǎng)故障下直流母線電壓平衡控制方法。

2 不對稱電網(wǎng)故障下直流母線電壓平衡控制方法

2.1 直流母線動態(tài)響應優(yōu)化

在發(fā)電系統(tǒng)中,光伏陣列與逆變器是主要結構,為了提高控制方法對光照強度變化的動態(tài)響應能力,以解決直流母線電壓處于光伏陣列不穩(wěn)定區(qū)域時出現(xiàn)的振蕩,確保直流母線電壓平衡,在進行直流母線電壓平衡控制之前,首先建立一個光伏陣列數(shù)學模型。

在并網(wǎng)光伏中,一個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,該值與陽光輻射的強度、溫度以及電池大小相關;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表示無光照時的飽和電流,q表示電子元電荷,E表示電池電動勢,A表示常數(shù)因子,K表示玻爾茲曼常數(shù),T表示溫度。

設置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載電流IL的計算公式為

(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)學模型的過程中,可以忽略電阻的影響[7,8]。光伏模塊在出廠后,會提供標準條件下的開路電壓、短路電流、最大輸出功率、最大功率點電壓以及電流等相關參數(shù),根據(jù)上述分析得到這些參數(shù)的測試值,構建光伏陣列數(shù)學模型,其表達式為

(3)

式中,S代表光照幅度,Sref表示標準條件下輻照度,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表示輻照強度差。通過構建光伏陣列數(shù)學模型,可以得到任何光照強度和溫度下的光伏電池輸出特性。

2.2 電網(wǎng)相位檢測

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,首先要做的就是檢測電壓同步信號和控制變流控制器[9,10]。這樣可以幫助識別不對稱電網(wǎng)故障的類型,并獲取相應的控制基準。本文采用鎖相環(huán)技術對電網(wǎng)的相位進行檢測,主要是保證其具有一個恒定的電壓,在近似的最大功率點中,對電壓進行跟蹤控制,首先要獲得最大功率時,工作電壓與開路電壓之間的比例關系[11,12]。鎖相環(huán)的矢量關系如圖2所示。

圖2 鎖相環(huán)矢量關系圖

當電網(wǎng)在理想條件下時,鎖相環(huán)會處于一種鎖定狀態(tài),輸出的電壓矢量sαβ與實際的電網(wǎng)電壓矢量Usαβ在坐標系中重合。這種鎖相環(huán)的檢測控制方案比較簡單,對于電路的控制設計來說更加方便。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,都能夠自動檢測跟蹤到光伏陣列的最大功率點。

當直流母線的電壓相位發(fā)生不對稱故障[13],這兩個矢量之間會出現(xiàn)如圖2所示的差異,這兩個矢量之間的夾角稱為相角跳變,可以通過計算公式求出。在理想的電壓條件下,電網(wǎng)電壓可以采用PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié),進而實現(xiàn)電網(wǎng)直流母線電壓空間矢量的準確跟蹤,鎖相環(huán)檢測過程如圖3所示。

圖3 鎖相環(huán)檢測過程

圖3中的PI調(diào)節(jié)器與鎖相環(huán)相比,增加了一個直流電網(wǎng)頻率的振諧控制器,在增大系統(tǒng)帶寬的同時,能夠提高響應速度,完成相位的檢測,并對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),一般會使用儲能元件來實現(xiàn)。這樣做的缺陷在于無法保證儲能元件的工作狀態(tài)保持穩(wěn)定,反復地充放電會縮短儲能元件的壽命。母線電壓的正常波動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)電源的提供功率會比負載的吸收功率大;當母線的電壓降低時,微電網(wǎng)電源會無法滿足負載所需要的功率。在電網(wǎng)的實際運行過程中,這種不穩(wěn)定的因素會增加電網(wǎng)的損耗。為了消除這個不穩(wěn)定因素,本文直接對直流母線進行電壓平衡控制。在直流電網(wǎng)中,可以通過主從控制和下垂控制兩種方法實現(xiàn)母線電壓平衡控制。

在主從控制的過程中,需要主從模塊相互配合對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程更加簡單,并實現(xiàn)對占空比d的調(diào)節(jié),本文選擇的滯環(huán)寬度需要恒定。當本文的儲能系統(tǒng)在孤島運行的過程中,假設滯環(huán)寬度為ΔH時,那么滯環(huán)電流的上限值ip與下限值iL的計算公式為

ip=iref+ΔH

iL=iref-ΔH

(4)

式中,iref表示標準條件下的電流值。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?。電壓平衡控制過程中,由直流電源提供一定的實際電壓和電流,電壓下垂控制器會提供相關的輸入?yún)⒖茧娏?這兩個電流會同時注入到滯環(huán)電流控制器中,由此產(chǎn)生開關信號的調(diào)節(jié)占空比d,同時能夠控制DC/DC變換器的輸出電壓,并且能夠保證外界環(huán)境的變化不會影響分布式電源輸出功率的穩(wěn)定;當系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)變化而影響到功率擾動時,說明供電端與負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,光伏單元和儲能單元共同協(xié)調(diào)進行控制,實現(xiàn)不對稱電網(wǎng)故障下直流母線電壓平衡控制。

為了使直流微電網(wǎng)儲能模塊能夠更好地實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)功能,使用超級電容器對光伏儲能直流母線電壓進行平衡控制,至此完成不對稱電網(wǎng)故障下直流母線電壓平衡控制方法的設計。

3 仿真分析

3.1 仿真環(huán)境

為了驗證本文設計的不對稱電網(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

上述模型中的設備以及參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型設備參數(shù)

在上述實驗參數(shù)下,通過仿真平臺對電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時的運行情況進行仿真。在實驗中,設置兩種不對稱故障類型,故障前系統(tǒng)運行在0.9pu的額定功率下,最大電流為1.2pu。故障類型1的仿真時間為1s,在0.7s時,a相電壓發(fā)生跌落,并網(wǎng)點電壓跌落到0.2pu,在0.9s時電壓恢復正常;故障類型2的仿真時間為1s,在0.7s時,b、c兩相電壓發(fā)生跌落,并網(wǎng)點電壓跌落到0.2pu,在0.9s時電壓恢復正常;在上述兩故障類型下,分別采用本文提出的直流母線電壓平衡控制方法、文獻[1]提出的基于固態(tài)變壓器直流側電壓平衡控制的SVPWM方法和文獻[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,并對三種控制方法的結果進行分析。

3.2 實驗結果與對比

在故障類型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[1]提出的基于固態(tài)變壓器直流側電壓平衡控制的SVPWM方法的直流母線電壓波形圖如圖5所示。

在故障類型2下,本文提出的直流母線電壓平衡控制方法和文獻[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 故障類型2下直流母線電壓波動情況

從上述的實驗結果可以看出,在兩種故障類型下,本文控制方法下的直流母線電壓在故障發(fā)生后,電壓的波動幅度比文獻[1]提出的基于固態(tài)變壓器直流側電壓平衡控制的SVPWM方法和文獻[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幅度小,說明使用本文方法,能夠使電壓不對稱故障對變流器的沖擊有所降低,提高了電網(wǎng)的故障穿越能力。

4 結束語

本文針對傳統(tǒng)的直流母線電壓平衡控制方法中所存在的問題進行分析和研究,設計了一種不對稱電網(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如下:

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

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

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

通過仿真,驗證了本文方法的有效性。但是由于時間問題,本文的研究還有一些缺陷和不足,在仿真中的結果僅能作為參考,與實際工作相比存在一定的差距,因此在后續(xù)的研究中,需要在實際的電網(wǎng)工作中進一步驗證本文方法的有效性。