混杂负载条件下高低压直流配电母线电压平衡控制方法

2022-10-27高泽宇

电气技术与经济 2022年5期

高泽宇

（深圳市建筑工务署工程管理中心）

0 引言

1 混合负载逆变环节抗扰控制模型构建

高低压直流配电网受到联络线功率扰动，对母线电压产生冲击，致使无法在正常范围内运行。而在混杂负载条件下，直流配电母线上会产生谐波分量扰动，引起配电网输出电压三相不平衡。在直流链上设置一个高性能的储能装置，可以有效地降低直流侧电压波动幅度，故在混杂负载条件下高低压直流配电母线输出电压容易遭受直流链电压变化引起的外部扰动［3］。因此，配电母线内部设置了一个通过串联方式连接的H桥逆变器，由此形成一个逆变环［4］。将多个H桥逆变器直接与发电单元直流侧相连，充分考虑不平衡和非线性混合负载对高低压直流配电母线输出电压的扰动，构建一种逆变环节控制模型，如图1所示。

图1中v1、v2、v3分别表示发电单元1、2、3的直流侧电压；R1、R2、R3分别表示发电单元1、2、3的支线电阻；L1、L2、L3分别表示发电单元1、2、3的线路电感；R表示损耗电阻与L1、L2、L3总电感电阻之和；C表示母线电容；I1、I2分别表示逆变环节电流和直流侧电流；va、vb、vc分别表示发电单元1、2、3的输入三相电压［5］。由于配电网电压值、负荷值和电流值均会影响母线电压逆变环节控制效果，所以从模型拓扑结构可以看出，逆变环节对高低压直流配电母线电压控制是按照三个发电单元进行，通过控制三个单元逆变参量，可直接控制交互负载［6］。

图1 逆变环节控制模型

2 基于模拟控制器的功率指令补偿电压平衡控制

传统电压平衡控制方法是以连续循环或脉冲补偿为基础，其实质是通过调节控制器上的功率大小来适应各个单元损耗，进而实现各个单元功率与损耗相适应的目的，使电压保持平衡［7］。然而，这种方法很容易导致各个单元发电负荷不均衡，无法调节各级单元功率。为此，设计一种模拟控制器，消除输出功率误差。结合功率指令补偿式平衡控制方式，增强抗负载扰动的同时使电压平衡［8］。

2.1 考虑不平衡运行情况的模拟控制器设计

根据构建的高低压直流配电母线的逆变环节控制模型，设计的模拟控制器传递功率应满足：

式中，Vo、Vi分别表示模拟控制器理想输出、输入电压值；κ表示控制器工作频率；L′表示控制器电感；θ表示H桥逆变器脉冲移相角，负责调节各级单元跟踪相同传递功率［9］。

在同一H桥逆变器脉冲移相角下，各个发电单元高频参数不同，其各个发电单元的传输功率也会有差别。为使各个发电单元都能得到最大程度利用，以确保配电母线的可靠性，最大限度地减小在整流过程中各个发电单元等值负荷间的差异，由此来平衡各个发电单元的直流控制器传输功率［10］。

基于该原理，设计的模拟控制器结构如图2所示。

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图2中，I1、I2、…、In分别表示控制器输入电流；V1、V2、…、Vn分别表示控制器输入电压；θ1、θ2、…、θn分别表示控制器驱动脉冲相角［11］。该结构采用一种双闭环控制策略，其中外环是一个电压环结构，由稳压器进行控制，使输出电压和电压指令值保持一致；内环是一个功率环结构，通过调节器对各个发电单元输出功率的实时监控，从而实现对各个发电单元功率指示的跟踪［12］。

图2 模拟控制器结构

内环反馈数据采集环节负责采集各个发电单元的直流输出数据，将这些电流分别与直流电压相乘，得到各个发电单元所传输的有功功率，并将内环控制作为反馈控制环节之一。通过采用不同控制方式，控制器对各个输出端进行相位偏移角调节，得到各单位的激励脉冲。控制器根据不同的调制方法，调整各个输出端的H桥逆变器脉冲移相角，从而获得各个发电单元的驱动脉冲［13］。利用这种方法，可以直接对各个控制器的功率进行检测，以达到直接控制功率平衡的目的，从而快速地消除因电流互感器参数差异所造成的功率差别［14］。

2.2 基于非线性负载的电压功率指令补偿式平衡控制

为了保证模拟控制器的安全和稳定，必须保证各个单元的直流电压平衡，而造成高低压直流配电母线电压失衡的主要原因是各个单元参数和负荷差异。由于高压直流配电网的逆变器控制结构特点，使得每个单元的电流都是一样的。

根据H桥单元直流侧功率关系，存在：

式中，Vaci表示直流侧第i个单元电压值；Iac表示直流侧的电流值。根据上述公式可知，在无平衡策略条件下，各个单位所分配的功率都与其相应的直流电压成比例［15］。因此，如果各个单位损耗存在差异，则会导致模拟控制器的直流电压不平衡。为此，通过对电力系统进行功率补偿，可以保证各个单元的电力系统都能根据相同功率指令进行跟踪，从而达到各级直流电压平衡。在配电母线逆变环节，可以调整回送电力，在逆变环节输入级仿真控制器中，可以采用其他方法来实现各个级别的电压平衡。在配电母线的逆变环节隔离等级控制中，通过调节各个级别直流转换装置的输出功率，以保证各个预整流装置的损失不变。在此条件下，尽管原有的模拟控制器没有使用电压平衡，但仍能将各级整流装置的功耗与损失相匹配，从而达到直流电压平衡。

电压平衡控制方案可以将整流侧的调压功率命令补偿添加到直流变换器中，从而达到电压平衡控制的目的，可将该过程描述成如下公式：

式中，σ0表示大于0小于1的谐波补偿系数；T1、T2分别表示补偿周期；η表示谐波补偿频率，通过该公式逐渐消除谐波含量，达到谐波抑制的效果。

将补偿修正值添加到直流变换器内环命令中（也就是在各个级别上都要求发送功率命令），通过调整直流电压跟踪命令，调节直流变换器功率指令补偿值，进而实现各个单元损耗大小一致性，达到直流电压保持平衡的目的。在建立模型时，应该把直流控制器内部看作是一个单独的输入和输出环节处理。由于内环控制主要是为了向各个单元发送跟踪相应功率指令，所以可将内环控制视为一个积分比例系数为1的环节。

充分考虑到不平衡运行情况的模拟控制器控制效果良好，输出直线电压电流稳定。为了实现对配电输出的直流电压高精度控制，对于电压调节采用功率指令补偿式平衡的闭环传递函数，可表示为：

式中，λpp表示比例系数；λpi表示积分系数；ηc表示传递停止时的频率；ηo表示谐波振动的频率。模拟控制器既可以有效地跟踪单相直流输出电压，又可以防止由于控制器在谐波振动频率下的无穷增益而引起的不稳定。另外，采用电流内环控制模式，可通过增设积分比例环节改善直流配电母线的动态响应速度，并增强对负载干扰能力。

3 仿真实验

3.1 仿真模型构建

为验证混杂负载条件下高低压直流配电母线电压平衡控制方法的控制效果，构建一个配电系统仿真模型，除了能够为实验过程提供电力外，还能为实验数据存储提供充足空间，其结构如图3所示。

图3 配电系统仿真模型

图3中配电系统直流侧配置了高性能蓄电池储能装置，通过三相子系统输出的多电平电压，为配电系统提供三相负载电源。

3.2 电压平衡控制效果分析

对于高低压直流配电母线不采用任何电压平衡控制值方法，所获取的电压波形如图4所示。

图4 采用控制方法前的电压波形

由图4可知，I区为未采用控制方法前整流侧启动运行波形；II区为直流配电变换器启动后的运行波形。在未采用任何控制方法的情况下，各级直流电压变换波形不一致。

为了达到电压平衡控制效果，分别引入PWM排序法、基于DC控制器的电压控制方法和混杂负载条件下电压平衡控制方法，所获取的电压波形如图5所示。

图5 采用控制方法后的电压波形

由图5可知，在引入控制方法后，PWM排序法、基于DC控制器的电压控制方法下的电压波形依然没有达到理想平衡效果，而使用混杂负载条件下电压平衡控制方法，通过引入功率指令补偿修正值后，能够使不同级电压达到平衡状态。使用PWM排序法一级直流电压始终没有与其余两级电压融合，最终电压值为69.2V。二级、三级直流电压在时间为0.4～0.6s时两级电压融合，但在0.6～0.7s时两级电压又分离，最终电压值分别为69.0V和67.5V；使用基于DC控制器的电压控制方法三级直流电压始终没有与其余两级电压融合，最终电压值为66.8V。一级、二级直流电压在时间为0.5～0.7s时两级电压融合，最终电压值为69.2V；使用混杂负载条件下电压平衡控制方法三级直流电压最终融合，虽然中间出现小幅度分离现象，但最终全部融合，所获取的最终电压值为68.5V。

通过上述分析结果可知，混杂负载条件下电压平衡控制方法能够平衡母线电压。

3.3 谐波含量抑制效果分析

通过上述分析可知，使用PWM排序法、基于DC控制器的电压控制方法电压平衡效果不佳，而使用混杂负载条件下电压平衡控制方法电压平衡效果良好。为了对这一结论进一步验证，对比分析谐波含量抑制效果，如图6所示。

图6 采用控制方法后谐波含量抑制效果对比分析

由图6可知，使用PWM排序法在2～4kHz时，谐波含量最高达到30V，其次是8～10kHz、12～14kHz；使用基于DC控制器的电压控制方法在0～4kHz时，谐波含量最高达到30V，其次是6～10kHz、12～14kHz；使用混杂负载条件下电压平衡控制方法谐波含量始终没超过15V，说明使用该方法有效抑制了谐波。