不对称电网故障下直流母线电压平衡控制方法

2023-07-03邢阳阳马冬梅党晓圆关正伟

计算机仿真 2023年5期

邢阳阳,马冬梅,党晓圆,关正伟

(重庆移通学院智能工程学院,重庆 401520)

1 引言

在实际的电网运行过程中,发生的故障一般为三相不对称故障。当电网发生不对称故障时,并网电流与直流母线的电压不稳定,使得馈入电网的功率发生振荡,对电网的危害较大,因此需要对直流母线的电压进行平衡控制。

文献[1]研究了单相任意单元数级联H桥固态变压器的SVPWM及其电压平衡控制方法,运用固态变压器电压环控制一个H桥直流母线电压,然后通过在SVPWM中增加一个新的控制环控制其它H桥的矢量脉冲宽度,从而使其它H桥电压跟随的控制策略来实现各个H桥均压的目的,最后通过仿真验证了该控制策略的正确性。文献[2]提出了三层结构的直流电容电压平衡控制策略,在对不平衡的功率进行理论分析的基础上,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。

由于上述两种控制方法均采用储能元件对电压进行平衡,但是储能元件本身在工作状态下并不稳定,导致直流母线电压波动较大,直流母线电压平衡控制结果不理想。因此本文设计一种不对称电网故障下直流母线电压平衡控制方法。

2 不对称电网故障下直流母线电压平衡控制方法

2.1 直流母线动态响应优化

在发电系统中,光伏阵列与逆变器是主要结构,为了提高控制方法对光照强度变化的动态响应能力,以解决直流母线电压处于光伏阵列不稳定区域时出现的振荡,确保直流母线电压平衡,在进行直流母线电压平衡控制之前,首先建立一个光伏阵列数学模型。

在并网光伏中,一个光伏电池能够提供的功率较小,因此选择数量较大的光伏电池以串并联的形式组合在一起,形成新的光伏阵列,继而形成大型的光伏电站,实现电能的输出[3,4]。在光伏阵列中,光伏电池是最小的光伏元件,光伏电池的等效电路如图1所示。

图1 光伏电池等效电路

图1中,ISC表示电池能够产生的电流,该值与阳光辐射的强度、温度以及电池大小相关;IVD表示二极管产生的电流,其方向与ISC相反,二极管电流的值可以表示为

(1)

式中,ID0表示无光照时的饱和电流,q表示电子元电荷,E表示电池电动势,A表示常数因子,K表示玻尔兹曼常数,T表示温度。

设置RP为体内缺陷或电池硅片边缘不清洁而产生的旁漏电阻[5,6],RS为串联电阻。根据上式可以得到其中的负载电流IL的计算公式为

(2)

在光伏电池中,并联电阻一般情况下比较大,串联电阻则较小。在建立数学模型的过程中,可以忽略电阻的影响[7,8]。光伏模块在出厂后,会提供标准条件下的开路电压、短路电流、最大输出功率、最大功率点电压以及电流等相关参数,根据上述分析得到这些参数的测试值,构建光伏阵列数学模型,其表达式为

(3)

式中,S代表光照幅度,Sref表示标准条件下辐照度,α表示温度系数,其值为0.0025/℃,ΔT表示温度差,γ表示系数因子,其值为0.00288/℃,β为系数,其值为0.5,ΔS表示辐照强度差。通过构建光伏阵列数学模型,可以得到任何光照强度和温度下的光伏电池输出特性。

2.2 电网相位检测

在电网理想条件下,以控制角度出发,电网中直流母线电压出现失衡等故障时,首先要做的就是检测电压同步信号和控制变流控制器[9,10]。这样可以帮助识别不对称电网故障的类型,并获取相应的控制基准。本文采用锁相环技术对电网的相位进行检测,主要是保证其具有一个恒定的电压,在近似的最大功率点中,对电压进行跟踪控制,首先要获得最大功率时,工作电压与开路电压之间的比例关系[11,12]。锁相环的矢量关系如图2所示。

图2 锁相环矢量关系图

当电网在理想条件下时,锁相环会处于一种锁定状态,输出的电压矢量sαβ与实际的电网电压矢量Usαβ在坐标系中重合。这种锁相环的检测控制方案比较简单,对于电路的控制设计来说更加方便。并且与其它方面相比较,锁相环的局限性较小,在不同温度、光照条件下,都能够自动检测跟踪到光伏阵列的最大功率点。

当直流母线的电压相位发生不对称故障[13],这两个矢量之间会出现如图2所示的差异,这两个矢量之间的夹角称为相角跳变,可以通过计算公式求出。在理想的电压条件下,电网电压可以采用PI调节器实现无静差调节,进而实现电网直流母线电压空间矢量的准确跟踪,锁相环检测过程如图3所示。

图3 锁相环检测过程

图3中的PI调节器与锁相环相比,增加了一个直流电网频率的振谐控制器,在增大系统带宽的同时,能够提高响应速度,完成相位的检测,并对谐波分量有一定的滤除作用。

2.3 直流母线电压平衡控制

在传统的电压平衡控制方法中,为了保持直流母线电压的稳定,需要维持直流微电网的功率保持在平衡状态,一般会使用储能元件来实现。这样做的缺陷在于无法保证储能元件的工作状态保持稳定,反复地充放电会缩短储能元件的寿命。母线电压的正常波动范围的临界值是直流母线放电的起始值,母线电压升高,微网电源的提供功率会比负载的吸收功率大;当母线的电压降低时,微电网电源会无法满足负载所需要的功率。在电网的实际运行过程中,这种不稳定的因素会增加电网的损耗。为了消除这个不稳定因素,本文直接对直流母线进行电压平衡控制。在直流电网中,可以通过主从控制和下垂控制两种方法实现母线电压平衡控制。

在主从控制的过程中,需要主从模块相互配合对电压和电流共同控制。但是电压下垂控制[14,15]不需要分主从模块,在变换器之间能够共享电流。为了使分析和控制过程更加简单,并实现对占空比d的调节,本文选择的滞环宽度需要恒定。当本文的储能系统在孤岛运行的过程中,假设滞环宽度为ΔH时,那么滞环电流的上限值ip与下限值iL的计算公式为

ip=iref+ΔH

iL=iref-ΔH

(4)

式中,iref表示标准条件下的电流值。下垂控制器选择的DC/DC变换器[16,17],主要是能够提供输入参考功率和参考电流。电压平衡控制过程中,由直流电源提供一定的实际电压和电流,电压下垂控制器会提供相关的输入参考电流,这两个电流会同时注入到滞环电流控制器中,由此产生开关信号的调节占空比d,同时能够控制DC/DC变换器的输出电压,并且能够保证外界环境的变化不会影响分布式电源输出功率的稳定;当系统内部出现变化而影响到功率扰动时,说明供电端与负荷端的功率之间出现了能量不平衡的情况。在直流微电网中,根据直流母线电压的变化情况,光伏单元和储能单元共同协调进行控制,实现不对称电网故障下直流母线电压平衡控制。

为了使直流微电网储能模块能够更好地实现电压调节功能,使用超级电容器对光伏储能直流母线电压进行平衡控制,至此完成不对称电网故障下直流母线电压平衡控制方法的设计。

3 仿真分析

3.1 仿真环境

为了验证本文设计的不对称电网故障下直流母线电压平衡控制方法的有效性,需要进行仿真分析。在Matlab/Simulink环境下搭建如图4所示的发电系统仿真模型。

图4 发电系统仿真模型

上述模型中的设备以及参数如表1所示。

表1 仿真模型设备参数

在上述实验参数下,通过仿真平台对电网发生不对称故障时的运行情况进行仿真。在实验中,设置两种不对称故障类型,故障前系统运行在0.9pu的额定功率下,最大电流为1.2pu。故障类型1的仿真时间为1s,在0.7s时,a相电压发生跌落,并网点电压跌落到0.2pu,在0.9s时电压恢复正常;故障类型2的仿真时间为1s,在0.7s时,b、c两相电压发生跌落,并网点电压跌落到0.2pu,在0.9s时电压恢复正常;在上述两故障类型下,分别采用本文提出的直流母线电压平衡控制方法、文献[1]提出的基于固态变压器直流侧电压平衡控制的SVPWM方法和文献[2]提出的电网故障下的电能路由器直流电容电压平衡控制方法进行直流母线电压平衡控制,分别得到三种控制方法的仿真波形图,并对三种控制方法的结果进行分析。

3.2 实验结果与对比

在故障类型1的仿真条件下,本文提出的直流母线电压平衡控制方法和文献[1]提出的基于固态变压器直流侧电压平衡控制的SVPWM方法的直流母线电压波形图如图5所示。

在故障类型2下,本文提出的直流母线电压平衡控制方法和文献[2]提出的电网故障下的电能路由器直流电容电压平衡控制方法的直流母线电压波形图如图6所示。

图6 故障类型2下直流母线电压波动情况

从上述的实验结果可以看出,在两种故障类型下,本文控制方法下的直流母线电压在故障发生后,电压的波动幅度比文献[1]提出的基于固态变压器直流侧电压平衡控制的SVPWM方法和文献[2]提出的电网故障下的电能路由器直流电容电压平衡控制方法下的波动幅度小,说明使用本文方法,能够使电压不对称故障对变流器的冲击有所降低,提高了电网的故障穿越能力。