电网故障下的电能路由器直流电容电压平衡控制策略

肖 迁, 何晋伟, 王 浩, 贾宏杰

(智能电网教育部重点实验室(天津大学), 天津市 300072)

0 引言

近年来,各国学者陆续提出了构建综合能源系统或能源互联网的设想,旨在为世界提供更安全、更经济、更清洁、可持续的能源,这一思路将进一步提高分布式可再生能源发电在配电网的渗透率[1-4]。电能路由器作为能源互联网系统的关键组成设备,引起了国内外学者的广泛关注[5-10]。电能路由器可以实现潮流控制、无功补偿、谐波治理、交直流变换功能,同时其固有的特性更便于可再生能源接入[8-10]。

电能路由器直流电容电压的升高会导致功率器件电压应力增大,减少其使用寿命,严重时可能损坏功率器件,使得电能路由器系统退出正常运行状态。为了保证电能路由器安全、可靠运行,部分学者对三级型电能路由器进行了直流电容电压的平衡控制研究[11-19]。对于单相电能路由器,学者使用类似的双层电压平衡控制策略,具体区别在于二次电压外环参考值选择[11-12]和内环电流控制[11,13]。对于三相模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)型电能路由器,文献[14]使用类似的控制方法[11-13],但在dq坐标系下,对直流电流进行跟踪。对于三相混合级联式电能路由器,文献[15]提出单层的电压平衡控制策略,借助中间级的直流母线输出作为反馈,简化了控制环节。对于三相级联H桥型(cascaded H-bridge,CHB)电能路由器,文献[16]使用高压直流母线电压和网侧电流的双环控制(无差拍控制)策略,实现对交流量的直接控制以及直流电容电压平衡。文献[17-19]控制策略本质同单相电能路由器[11],区别在双层的电压反馈值选择。上述研究主要是关注电网正常运行状况(三相对称电网)时的直流电容电压平衡问题,但是,一旦电网发生故障(三相不对称电网),相间功率则会不平衡,因此上述的控制方法都将失效,无法实现直流电容电压平衡。

目前,对于电网故障下的电能路由器控制研究较少,相关的工作可借鉴多电平变流器在子模块和电网故障时的容错运行研究[20-25]。文献[20]提出了零序电压注入法来维持线电压恒定,由于需要对临界电压区间的调制波进行重构,故控制策略较复杂。文献[21]分析传统载波移相调制方法的特点,提出了仅对子模块故障相进行子模块对称切除的容错方法,通过对故障相的载波重构,避免了中性点的移动,但实际应用有很强的局限性。文献[22]针对不平衡电网,通过对桥臂注入负序二次环流和对零序环流进行抑制,保证直流电压的恒定和提高系统不平衡故障穿越能力。文献[23-24]在不平衡条件时,通过分析环流的正序、负序和零序分量,设计比例积分谐振控制器来抑制正、负、零序分量,但忽略了子模块直流电容电压波动。文献[25]在大规模光伏并网系统的子模块H桥故障时,通过分析每相的功率情况来得出需要注入的零序电压,实现三相网侧电流平衡控制。

针对上述存在的问题,本文在对不平衡的功率进行理论分析的基础上,提出了三层结构的直流电容电压平衡控制策略,其中间层通过动态调整定义的加权系数,来灵活控制注入的零序电压和负序电流各自承担的相间移动功率,提高系统控制自由度。不同加权系数的仿真结果验证了所提控制策略的正确性和可行性,能够保证电网故障时电能路由器的直流电容电压始终保持平衡。

1 电能路由器的结构

电能路由器既可视为电力系统追求开发能源互联的一种自然之需,也可以视为电力电子器件和装置研究向网络化和系统化层面延伸的必然结果。三级型电能路由器拓扑结构如图1所示,具有模块化、易拓展和灵活性高等优点,由前级(AC/DC变换器)、中间级(DC/DC变换器)和后级(DC/AC变换器)组成。前级采用级联型H桥结构,中间级采用双主动全桥(dual active bridge, DAB)结构,后级为传统的逆变器结构。后级控制不作为本文的研究,以“等效负荷”代替。详细的建模情况见文献[17-19]。

图1 三级型电能路由器拓扑结构Fig.1 Topology of three-level electrical energy router

多端口结构是电能路由器的重要优势,具有交流端口(中/高压)、直流端口(低压)和经逆变器输出的交流端口(低压)。本文给出典型的三级型电能路由器拓扑结构,如图1所示。电能路由器的前级每相由N个H桥串联组成,其直流电容电压为Vdcj(j=1,2,…,3N),并通过中/高压交流端口直接连接到配电网,无需传统的变压器进行电压变换;电能路由器的中间级由12个DAB并联组成,其输入端分别连接到前级的直流电容,输出端的直流母线电压为VDC,并通过低压直流端口连接到后级的逆变器,提供电压变换、隔离等功能。固有的直流端口,便于连接光伏、储能设备、电动汽车等直流装置,满足能源互联网的即插即用需求。

2 直流电容电压平衡控制策略

针对电网故障时电能路由器的直流电容电压平衡问题,本文提出了直流电容电压平衡控制策略,如图2所示,为三层结构(首层、中间层和底层)。借助定义的加权系数K,使得注入的零序电压和负序电流组合起来分担相间功率不平衡任务,提高系统的控制自由度,始终实现电网故障下的电能路由器直流电容电压平衡。

(1)

(2)

(3)

式中:ω为交流电角频率。

图2 三层结构的直流电容电压平衡控制策略Fig.2 Three-layer control strategy for balancing DC capacitor voltage

AC/DC变换器三相电压为:

(4)

定义零序电压为:

vOM=VOMcos(ωt+γ)

(5)

式中:VOM和γ分别为零序电压的幅值和相角。

在图2中,为了减少2倍频的波动影响,前级的直流电容电压Vdcj(j=1,2,…,3N)采样需要经低通滤波器处理得到直流电容电压Vdcmn(m=a,b,c;n=1,2,…,N)。

1)经“平均值计算”模块后,可得到每相直流电容电压平均值Vdcm_ave(m=a,b,c)和总直流电容电压平均值Vdc_ave。

(6)

下面介绍三相不平衡的功率理论分析,为注入的零序电压和负序电流提供理论指导。

AC/DC变换器每相的瞬时功率为:

(7)

经过积分环节,AC/DC变换器每相平均功率为:

(8)

注入的零序电压承担的相间移动功率为:

(9)

式中:Pm(m=a,b,c)为电网电压发生故障时导致的需要移动的相间功率。在电网电压正常情况下,系统稳态时,Pm应为0。

在两相静止坐标系(αβ)下,有

(10)

由上式可得零序电压的直轴分量和交轴分量分别为:

(11)

零序电压的幅值和相角分别为:

(12)

γ=

(13)

注入的负序电流承担的相间移动功率为:

(14)

在两相静止坐标系(αβ)下,有

(15)

由上式可得负序电流的直轴和交轴分量参考值如下:

(16)

3 仿真验证

为了验证本文所提的三层结构的直流电容电压平衡控制策略的可行性,在MATLAB/Simulink环境下搭建三级型电能路由器仿真平台,拓扑结构同图1。对应的仿真参数如下:三相电网系统容量为100 kW,线电压为3 300 V,频率为50 Hz,电感L为5 mH;AC/DC变换器(前级)每相H桥数目N=4,开关频率为4 kHz,直流电容为4 mF,直流电容电压参考值为750 V;DC/DC变换器(中间级)漏感为0.5 mH,开关频率为4 kHz,直流电容为1 mF,直流电容电压参考值为700 V;DC/AC变换器(后级)等效负荷为5 Ω。首层中,KP1=0.8 A/V,KI1=8 A/(V·s);中间层中KP2=300 W/V,KI2=3 000 W/(V·s),底层中KP3=2,KI3=20。

基于课题组的某校企合作项目(要求线电压等级为3.3 kV)和典型参考文献[16](其线电压为3 kV,选取最大10%的扰动),将电能路由器应用于3.3 kV线电压等级电网系统。仿真系统中,设置电网在t=2 s时刻发生故障,此时电网c相电压跌落95%,观察传统方法[17-19]和本文所提的方法的直流电容电压、直流母线电压、电网电流仿真波形。

对于传统方法,电能路由器的仿真波形见附录A图A1。电网电压正常(未发生故障)时,前级的直流电容电压平衡,且电网电流平衡。电网故障时,由于c相电压的骤降,导致c相的直流电容电压跌落220 V左右,因此,直流电容电压不平衡,但整个过程直流母线电压一直稳定于其参考值附近。对于三相电网电流,由平衡状态变为不平衡状态。

使用本文所提的方法,电能路由器仿真波形、注入的零序电压和负序电流仿真波形分别如附录A图A2和图A3所示。借助加权系数K,使得零序电压和负序电流结合起来。由于可以主观选择其大小,即灵活分配注入的零序电压和负序电流各自承担的相间移动功率,因此,对于其典型值(K=0,K=0.5,K=1)重点观察仿真波形。电网故障发生前后,不论K取任何值(0≤K≤1),直流电容电压始终保持平衡,且直流母线电压始终稳定于其参考值附近。当K=0时,负序电流为0,即只有注入的单一零序电压负责解决相间功率不平衡问题,因此,此时注入的零序电压最大,直流电容电压始终保持平衡且仍保持电网电流平衡;当K=0.5时,即注入的零序电压和零序电流平均分配相间移动功率的任务,提高了控制自由度,此时注入的零序电压幅值相比单一零序电压减少近一半,保证直流电容电压始终保持平衡但无法实现电网电流平衡辅助功能;当K=1时,零序电压为0,即只有注入的单一零序电流进行相间功率调整,此时注入的负序电流幅值相比单一负序电流增加近一倍,保证直流电容电压始终保持平衡但无法实现电网电流平衡辅助功能。

采用本文所提的方法,可以根据实际需要(如三相网侧电流的约束,实现三相网侧电流平衡的辅助功能等)来调整定义的加权系数K,灵活分配零序电压和负序电流承担的相间功率移动任务,提高系统的控制自由度,始终实现电能路由器直流电容电压平衡的控制目标。当电网发生故障时,虽然通过定义的加权系数K可将注入的零序电压和负序电流结合起来解决电能路由器的直流电容电压平衡问题,但是随着负序电流承担的相间功率移动任务变重,即K逐渐增大(Kmax=1),需要考虑电能路由器的三相网侧电流的实际约束,防止电流越限。

4 结语

本文通过理论分析相间移动功率情况,提出了三层结构的直流电容电压平衡控制策略,借助定义的加权系数,将注入的零序电压和负序电流结合起来解决电能路由器前级的相间功率平衡问题,保障电能路由器在电网故障时直流电容电压始终保持平衡。该方法可以灵活分配零序电压和负序电流承担的相间功率移动任务,进而调整注入的零序电压和负序电流的大小。电网故障时,在保证直流电容电压平衡的同时,若要实现电网电流平衡的辅助功能,只需修改加权系数为0,即通过单一的零序电压注入来实现该双重平衡目标;反之,可以按照实际需要设置加权系数,降低零序电压的注入,提高系统的控制自由度。

本文仅研究电网单相故障下的电能路由器直流电容电压平衡控制,没有考虑电网发生两相或三相故障的情况,后续的工作将研究多相电网故障下的电能路由器直流电容电压平衡控制,从而达到更高的运行可靠性。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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