适于不同运行模式的多逆变单元三环反馈控制策略研究.pdf

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适于不同运行模式的多逆变单元三环反馈控制策略研究1 适于不同运行模式的多逆变单元三环反馈控制策略研究2 适于不同运行模式的多逆变单元三环反馈控制策略研究3 适于不同运行模式的多逆变单元三环反馈控制策略研究4 适于不同运行模式的多逆变单元三环反馈控制策略研究5 适于不同运行模式的多逆变单元三环反馈控制策略研究6
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第40卷第23期2012年12月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlV_01.40No.23Dec.1,2012适于不同运行模式的多逆变单元三环反馈控制策略研究马静,米超,丁秀香,王增平(华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室,北京102206)摘要:为了实现微网在不同模式下稳定运行,设计了一种外环采用逆变器出口电压反馈、中环采用电容电压反馈、内环采用电容电流反馈的多环反馈控制器。通过劳斯一赫尔维茨稳定判据与极点配置的方法计算控制器参数,形成了输出阻抗低频段为感性、高频段为阻性的分布式电源外特性,实现了微网内多逆变单元之间的无线通信下垂控制。所设计的多环控制器在联网运行模式下能够改善系统的稳定性,输出高质量的电能,且具有较快的动态响应速度。在孤岛运行模式下,能够保证负荷电压和频率的稳定性以及多逆变单元之间功率共享,还可实现不同运行模式之间的平滑切换。该多环控制器设计简单,实用有效,易于实施仿真结果表明其具有合理性和有效性关键词:微网;下垂控制;逆变器;多环反馈控制器—AthreeloopfeedbackcontrolstrategyofmultipleinverterunitssuitablefordifferentoperatingmodesMAJing,MIChao,DINGXiu-xiang,WANGZengrping(StateKeyLaboratoryforAlternateElectricalPowerSystemwithRenewableEnergySources,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)Abstract:Inordertokeepmicrogridstableindifferentmodes,acascadedcontrolstrategywithmultiplefeedbackloops,namelyoutputvoltage,capacitorvoltageandcapacitancecurrent,isdesigned.Thecontrolparametersarecalculatedbyforwardcombinedmethodofzero-poleoffsetandRouth-Hurwitzcriterion.ThecharacteristicsofDGoutputareinductiveinlow-frequencyrangeandresistiveinhigh-frequencyrange.Droopcontrolincaseofwirelesscommunicationisrealizedininvertersofmicrogrid.Thisdesignedcontrolstrategyisabletoimprovesystemstability,keephighpowerquality,andbeprovidedwithfastdynamicresponsein—gridconnectedmode.Thestrategyensuresthestabilityofloadvoltageandfrequencyandshareofthe1oadpowerbetweentheinvertersinislandingmode,whichCanrealizesmoothswitchbetweendifferentmodes.Thecontrolstrategyisdesignedtobepractical,effective,andeasytobeimplemented.Simulationresultsverifythatitisreasonableandeffective.ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.51277193andNo.50907021).Keywords:microgrid;droopcontrol;inverter;multiplefeedbackcontroller中图分类号:TM619文献标识码:A—文章编号:1674-3415(2012)230114-06O引言随着太阳能发电、风力发电等新能源发电技术的迅猛发展,分布式电源(DistributedGeneration,DG)的应用越来越广泛【1-3】。DG与储能装置一起作为供基金项目:国家科技支撑计划项目(2013BAA02B00);国家自然科学基金项目(51277193,50907021);教育部留学回国人员科研启动基金资助项目( ̄I-B留[2011】1139号);河北自然科学基金项目(E2012502034);中国电机工程学会电力青年科技创新项目(电机学[2012】46号);河北省电力公司科技项目(KJ—[2012】27828O)电单元与本地负荷组成微网,既可以与常规电网并网运行,也可以孤岛运行独立为本地负荷供电【4J。然而,无论是并网运行模式还是孤岛运行模式,都需要对微网内部的各个DG进行有效控制,尤其是在孤岛运行模式下,由于DG无法获取常规电网提供的电压与频率参考,因此控制更加复杂。微网中DG控制主要分为两类:一类是主从控制;一类是分散控制。在分散控制中,通常采用下垂特性实现电压调节和频率控制,考虑到低压配网中线路电阻值一般大于线路电抗值,常规的下垂特性将难以保证功率的有效传递。针对该问题,文献马静,等适于不同运行模式的多逆变单元三环反馈控制策略研究-115-[7】在逆变器的输出端加入大电感以确保输出阻抗呈感性,但由此也带来了线路压降增加和费用提高等问题。逆变器输出阻抗不仅受线路阻抗参数的影响,还与滤波器参数、控制器参数密切相关,因此,通过恰当选取滤波器类型和合理设计控制器参数可以实现输出阻抗呈现感性或者阻性。基于L型滤波器的控制器设计简单,易于实现,但滤波特性较差,同时逆变器开关频率较高,对硬件的要求也相对较高【8。LC滤波器可用于并网/孤岛双模式逆变器中,当逆变器工作在孤岛模式时,LC滤波器可有效衰减输出电压的高频成份,获得理想的输出电压波形,且能够保证稳定性与良好的动态性能。但在逆变器工作于并网模式时,LC滤波器采用输出电流控制,滤波电容不起作用只相当于负荷,此时滤波效果与L滤波器效果相同【1。基于LCL滤波器的逆变器能在较低开关频率的条件下具有良好的滤波特性Ll引,输出电流具有谐波畸变率低、稳定性强等优点。但是,LCL的引入提高了系统的阶数,对系统的控制策略提出了更高的要求【l。目前基于LCL滤波器的多环反馈控制策略的研究主要集中在如何提高输出的电能质量以及改善系统的动态性能方面,对如何解决孤岛运行模式下稳定运行与功率分配,以及不同运行模式之间的平滑切换等问题亟待进一步研究。围绕这些问题,本文首先分析了基于LCL滤波器的电压源逆变器的数学模型,在此基础上,设计了一种外环采用逆变器出口电压反馈、中环采用电容电压反馈、内环采用电容电流反馈的多环反馈控制器,并通过劳斯.赫尔维茨稳定判据与极点配置的方法计算控制器参数,形成了输出阻抗低频段为感性、高频段为阻性的分布式电源外特性,实现了微网内多逆变单元之间的无线通信下垂控制。所设计的多环控制器性能优良,原理简单,易于实施。仿真结果证明了控制方案的合理性和有效性。1微网多环反馈控制策略由于逆变器中v/f控制模块需要对逆变器出口电压的幅值和频率进行调节,同时为了提高控制系统的电能质量、动态响应速度以及稳定性,因此本文将LCL滤波器在dq旋转坐标系下,建立多环反馈控制回路。根据图1,建立如图2所示的多环反馈控制系统。该系统内环采用电容电流控制器、中环采用电容电压控制器、外环采用逆变器出口电压控制器。内环采用比例控制器对电容电流进行控制,以提高系统的动态响应速度,实现电流的动态跟随。为此,电流环的设计一方面尽量增加频带宽度;另一方面,尽量减小电容电流与输出电流的比值以及电容电流幅值。电容电流内环开环传递函数为G:f)=L(1)~1(+1)其中:wm为逆变器调制比;K为电流内环比例控制系数;为电流内环时间常数。图1LCL滤波器的数学模型Fig.1PrinciplediagramofLCLfilter图2多环控制系统Fig.2Blockdiagramofcascadedcontrolsystem中环采用PI控制器对电容电压进行调节,用于抑制电网电压的波动与负荷不平衡对并网逆变器端口输出功率的影响,其闭环传递函数为Q:±±2・一’。B0十Bl2+B2+B3BBBB03+l2+2+3。11.电力系统保护与控制其中:=WMC;A1=kkpwM;A3=L1;=船PwM;B0=L1C;=wMc;BE:1+胁wM;=wM。式(2)的特征方程为D():,+z++(3)~B0B0一与式(3)对应的期望特征方程可表示为Dr)=(S+2+)+)(4)为了满足系统的稳定条件,本文采用极点配置的方法获取式(4)中、与m等参数,再通过求解式(5),计算电容电压环中的控制参数。l(2+)=且/{(1+2)=/(5)\m专畦=B3。外环采用PI控制器对逆变器输出的端口电压进行控制,用以调节有功功率和无功功率,改善DG并网功率因数和电能质量,以及保持负载电压稳态误差为0,逆变器出口电压的传递函数为Vo(S)=ki/z6)G1()(+)+1一一一其中:Gl()=兰:±±.8oS+’+B2s+B3…乩,G1()+SL,G()(+盔/)+1由式(6)可知,逆变器的输出阻抗不仅受滤波器参数、线路阻抗参数的影响,还和控制器参数密切相关,通过合理设计控制器参数可以实现传统发电机的下垂控制。图3给出了输出阻抗z(s)的频率特性曲线(系统参数见仿真验证部分),选取输出电压环、的四组取值进行比较。保持不变,越大,逆变器输出阻抗的感性频带越宽,越有利于下垂控制的形成,但考虑到高频段输出阻抗呈现阻性才能有效抑制谐波,因此不能选择使感性频带过宽的控制器参数。保持不变,K越大,逆变器输出阻抗的阻性频带越宽,越有利于抑制谐波,但考虑到低频段输出阻抗呈现感性才能实现下垂控制,因此同样不能选择使阻性频带过宽的控制器参数。综合考虑上述各种因素,选取=4、=1000—60—70—8O一90100l】O…一÷搏^嚣蒜荔菇笔…一.||Hz图3输出阻抗的频率特性曲线Fig.3Frequencyresponseofoutputimpedance可实现逆变器的输出阻抗在低频段呈现感性,同时在高频段呈现阻性。采用类似的分析方法,可得控制参数和的取值分别为5和100。将这些控制参数代入式(6),可做出电压外环的频率响应曲线,如图4所示,由该图可以看出,在基频段,输出电压的幅值误差与相角误差都接近于零。5。一一。一..:21一一.一0—5lOl52O25.∥Hz图4输出电压环的频率晌应曲线Fig.4Frequencyresponseofoutputvoltageloop将DG输出电流作为电压外环的扰动,并在50ms时刻施加阶跃信号,电压外环阶跃响应如图5所示,可以看出,设计的控制器可有效地抑制扰动。在设计逆变器输出阻抗为感性阻抗后,可将常规高压电力系统的下垂特性应用于低压微网。对于孤岛运行模式下的微网,在多个DG并联运行的情况下,逆变型DG采用下垂控制策略【J,将下垂控制得到的输出作为图2所示的v/f控制的输入信号,以更好地实现与旋转发电机直接接口的DG之间的负荷功率共享,如图6所示。首先,通过功率计算模块得到DG实际输出的平均有功功率尸和无功功率p,并与参考值进行比较,然后利用下垂控制器得到电压/频率控制的参考信号,再经v/f控制器输出调制波,最后通过SPWM调制方式控制DG的输出电压。其中,a和b分别为有功功率与无功功率的下垂控制系数。……~一一一一一__^.强=}=强=}=蒜删㈤~∞p,0;口警=霉【d∞口暑【I∞Is苫等皇马静,等适于不同运行模式的多逆变单元三环反馈控制策略研究.117.#ms图5输出电压环的阶跃响应Fig.5Stepresponseofoutputvoltageloop0t0图6下垂控制器Fig.6Droopcharacteristicssystem2仿真验证本文采用PSCAD软件进行仿真验证,搭建如图7所示的三相逆变器独立运行的电路。系统参数如下:直流测电压=750V,稳压电容=6600uF;LCL滤波器参数:逆变侧电感厶=0.45mH,电网侧电感厶:0.21mH,滤波电容C=100laF,电容阻尼电阻R=1Q;本地负荷=500kW,DG额定相电压,=220V。单DG孤岛运行时,频率与电压变化曲线分别如图8(a)和图8(b)所示,可以看出,当DG容量满足负荷需求时,可维持电压幅值与频率在期望值附近。两台DG并联运行,并采用相同的v/f控制参数,组建小型微网系统,DG均采用下垂控制策略进行负荷分担,在此系统中进行两组仿真验证。第一…….1_……_l_…一一图7微网中分布式电源多环控制示意图Fig.7MultipleloopcontrolschematicoftheDGinthemicrogrid一台DG的Pf=50kW,)ref=0vat,a=0.00005,b=0.00004;第二台DGf=45kW,Qref=0vat',a=0.00005,b=0.00004。:0.2未一0.1:譬一0,4t/ms(b)图8单DG孤岛运行波形图Fig.8WavesofsingleDGrunning仿真一:微网未与配电网相连,处于孤岛运行状态,1s时刻向微网投入负荷,随后DG输出有功功率与无功功率均有所增加,通过下垂控制分担负荷,分别如图9(a)与图9(b)所示。图9(c)与图9(d)分别为两台DG的输出电压,可以看出此时负荷电压处于稳定状态,但实际上,由于无功功率增加,微网电压幅值略有下降(图中由于电压幅值较大,所以无法显示),与此同时,微网的频率随着有功功率增加有所降低,如图9(e)所示。108620.Ql一./一一~—:\Q::lIl900950l00010501lO0t/ms(b)电力系统保护与控制>>0I4一0.2一j}j0bI1r7jj[j‘If、10.0/il/jzc。。』jj-’0|、,。lrt{t、-04i950970990101010301050t/ms(c)50.0l50.0049.9949.98(d)图9微网孤岛运行投入负荷时的响应曲线Fig.9Responseswhenloadinputinthemicrogrid仿真二:微网孤岛运行时,处于过负荷状态,1S时刻与配电网相连,开始并网运行。在此过程中DG输出功率、电压以及频率的响应曲线如图l0所示。≥钆108耋6420(a)●_●//Q1//口290095010001O501100t/ms(b)一j立(d)t/ms(e)图10微网并入配电网时的响应曲线Fig.10Responseswhenthemicrogridreconnects并网后微网中DG输出有功功率、无功功率均有所下降,分别如图10(a)与图10(b)所示,由于配电网电压的支撑作用,此时两个DG的电源电压仍然稳定,分别如图10(c)与图10(d)所示,但实际上,由于DG输出无功功率下降,电压幅值有轻微上升(图中由于电压幅值较大,所以无法显示)。图lO(e)表明并网后频率上升,达到与电网同频率运行。3结论本文设计了一种外环采用逆变器出口电压反馈、中环采用电容电压反馈、内环采用电容电流反馈的多环反馈控制器。该控制器的特点如下:(1)输出阻抗低频段为感性、高频段为阻性的分布式电源外特性,实现了微网内多逆变单元之间的无线通信下垂控制。(2)在联网运行模式下,能够改善系统的稳定性,输出高质量的电能,且具有较快的动态响应速度。(3)在孤岛运行模式下,能够保证负荷电压和频率的稳定性以及多逆变单元之间功率共享,还可zIl{O‘OO05OOOOO590O9794马静,等适于不同运行模式的多逆变单元三环反馈控制策略研究实现不同运行模式之间的平滑切换。(4)所设计的多环控制器性能优良,原理简单,易于实施。仿真结果证明了控制方案的有效性和可行性。参考文献[1]杨淑英,张兴,张崇巍,等.LCL滤波电压源并网逆变器多环控制策略设计『J].电力系统自动化,2011,35(5):.70.YANGShu-ying,ZHANGXing,ZHANGChong-wei,eta1.Strategydesignofmultiplefeedbackloopcontrolforgrid-connectedvoltagesourceinverterwithLCLfilter[J].—AutomationofElectricPowerSystems,201l,35(51:670.[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