電力電子裝置控制系統(tǒng)通用控制結(jié)構(gòu)

電力電子裝置控制系統(tǒng)通用控制結(jié)構(gòu)

0通用模型的建立近年來(lái)，分布式能源系統(tǒng)及其他相關(guān)理論和技術(shù)越來(lái)越受學(xué)術(shù)界和行業(yè)的影響。大量互聯(lián)能源的存在對(duì)配電系統(tǒng)的模擬和分析理論提出了更高的要求。分布式發(fā)電系統(tǒng)一般通過(guò)2種方式接入中低壓配電網(wǎng):①直接接入,例如分軸微型燃?xì)廨啓C(jī)(microgasturbine,MT)發(fā)電系統(tǒng)、采用異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等;②通過(guò)電力電子裝置接入,例如光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、單軸微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)、基于永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、各種電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等。其中,第2種接入模式應(yīng)用更為普遍。作為含分布式電源的配電系統(tǒng)分析和仿真軟件開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ),考慮到電力電子裝置控制結(jié)構(gòu)及控制策略的多樣性,發(fā)展分布式發(fā)電系統(tǒng)的電力電子并網(wǎng)裝置通用建模方法顯得十分重要。目前,分布式電源控制系統(tǒng)的建模研究多是針對(duì)某一特定的分布式電源,每一類(lèi)分布式電源需要單獨(dú)建立控制系統(tǒng)模型,文獻(xiàn)所設(shè)計(jì)的飛輪控制系統(tǒng)雖然在并網(wǎng)及孤島模式下可實(shí)現(xiàn)靈活構(gòu)建,但對(duì)于其他分布式電源的控制仍缺乏通用性。針對(duì)每一種控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相關(guān)控制模型,將會(huì)給仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)造成很多不便,特別是分布式電源及其控制系統(tǒng)還在不斷發(fā)展變化中,逐一構(gòu)建相關(guān)模型不利于提高仿真程序的適應(yīng)性。本文針對(duì)微網(wǎng)仿真的需要,發(fā)展了一類(lèi)分布式電源電力電子并網(wǎng)裝置控制系統(tǒng)的通用建模方法,所構(gòu)建的通用模型將控制系統(tǒng)分為外環(huán)和內(nèi)環(huán)2個(gè)通用模塊,通過(guò)開(kāi)關(guān)對(duì)各控制通道的開(kāi)斷選取,可使外環(huán)實(shí)現(xiàn)功率控制、電壓控制、下垂控制(droop)和恒壓/恒頻(V/F)等控制目標(biāo),而內(nèi)環(huán)則以電流控制為目標(biāo),模型適應(yīng)性和通用性強(qiáng),具有模塊化特征,特別適合基于面向?qū)ο蠼５姆植际桨l(fā)電系統(tǒng)仿真軟件的開(kāi)發(fā)。1網(wǎng)絡(luò)分布系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制圖1給出了一類(lèi)分布式發(fā)電系統(tǒng)與配電系統(tǒng)并網(wǎng)的典型通用結(jié)構(gòu)形式。其中,與電力電子裝置相關(guān)的環(huán)節(jié)主要有3個(gè)部分。12微源和存儲(chǔ)側(cè)流量控制器用于將高頻交流電或者直流電轉(zhuǎn)換為適于并網(wǎng)換流器工作的直流電,一般采用微源側(cè)換流器或DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)。2網(wǎng)絡(luò)側(cè)面交換系統(tǒng)用于將直流電轉(zhuǎn)化成工頻交流電,濾波之后接入配電網(wǎng)絡(luò)。3布式電源控制模塊根據(jù)需要采用特定的控制策略對(duì)相關(guān)換流器加以控制。對(duì)于不同類(lèi)型的分布式電源,其微源側(cè)及并網(wǎng)側(cè)換流器的控制需求各不相同。在圖1中,電力電子控制環(huán)節(jié)是分布式電源實(shí)現(xiàn)微源側(cè)及并網(wǎng)側(cè)控制目標(biāo)的關(guān)鍵部分。對(duì)于交流型分布式電源,如微型燃?xì)廨啓C(jī)、直驅(qū)風(fēng)機(jī)等,電力電子控制環(huán)節(jié)需采集微源側(cè)交流電氣量與直流電氣量,以及網(wǎng)側(cè)交流電氣量,如有功功率、無(wú)功功率、直流電壓等,分別對(duì)微源側(cè)換流器以及網(wǎng)側(cè)換流器加以控制。對(duì)于直流型分布式電源,電力電子控制環(huán)節(jié)采集微源側(cè)直流電氣量及網(wǎng)側(cè)交流電氣量對(duì)網(wǎng)側(cè)換流器加以控制。當(dāng)微源側(cè)直流電壓不滿(mǎn)足并網(wǎng)需求時(shí),可在微源側(cè)接入DC/DC變換器,通過(guò)對(duì)直流電壓加以控制以滿(mǎn)足并網(wǎng)需求。2恒功率控制應(yīng)用在圖1所示的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,無(wú)論是對(duì)微源側(cè)還是對(duì)并網(wǎng)側(cè)的電力電子變換裝置,所采用的控制策略都有多種,且在不斷的發(fā)展過(guò)程中。若對(duì)各種控制策略逐一構(gòu)建模型,將會(huì)給仿真程序的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)造成諸多不便。設(shè)計(jì)一種通用控制器結(jié)構(gòu)來(lái)統(tǒng)一描述各種控制策略,是電力電子變換裝置相關(guān)控制系統(tǒng)建模的有效方法。依據(jù)恒功率控制原理,將各控制量解耦在dq軸上,可實(shí)現(xiàn)多種控制策略[6,7,8,9,10,11,12,13]。恒功率解耦控制原理見(jiàn)附錄A。針對(duì)這類(lèi)控制策略,本文設(shè)計(jì)了電力電子裝置控制器的通用控制結(jié)構(gòu),具體如圖2所示。控制系統(tǒng)由多條控制通道組成,根據(jù)不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)可以組合成不同的控制結(jié)構(gòu),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)DC/DC變換器以及微源側(cè)和并網(wǎng)側(cè)換流器相應(yīng)的控制目的,開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷狀態(tài)與控制方式的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。分布式發(fā)電系統(tǒng)初始運(yùn)行時(shí)通過(guò)開(kāi)關(guān)設(shè)置為相應(yīng)的控制方式,在運(yùn)行過(guò)程中一般不再進(jìn)行控制方式的切換。若考慮儲(chǔ)能元件采用恒壓/恒頻控制時(shí)的無(wú)縫切換策略,可參見(jiàn)文獻(xiàn)。3電源的電力電子控制系統(tǒng)模型通用控制器模型適用于一大類(lèi)分布式電源的電力電子控制系統(tǒng)模型的構(gòu)建,下面以幾種典型分布式電源為例,對(duì)通用控制器模型的適應(yīng)性進(jìn)行相應(yīng)分析。1通用控制器直驅(qū)風(fēng)機(jī)的電力電子控制系統(tǒng)由微源側(cè)及網(wǎng)側(cè)換流器控制系統(tǒng)組成,針對(duì)微源側(cè)換流器控制系統(tǒng),將圖2中S3,S6,S7,S10及S11閉合,其他開(kāi)關(guān)打開(kāi),通用控制器即可以轉(zhuǎn)化為文獻(xiàn)的微源側(cè)換流器控制系統(tǒng),如圖3所示。針對(duì)網(wǎng)側(cè)換流器控制系統(tǒng),將圖2中S4,S5,S8,S9閉合,其他開(kāi)關(guān)打開(kāi),通用控制器即可轉(zhuǎn)換為文獻(xiàn)網(wǎng)側(cè)換流器控制系統(tǒng),如圖4所示。2微源側(cè)換流器控制系統(tǒng)微型燃?xì)廨啓C(jī)的電力電子控制系統(tǒng)由微源側(cè)及網(wǎng)側(cè)換流器控制系統(tǒng)組成,在圖2中將S4,S5閉合,其他開(kāi)關(guān)打開(kāi),可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓的控制,S12閉合且idref置為0,可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的控制,通用控制器即可轉(zhuǎn)換為文獻(xiàn)的微源側(cè)換流器控制系統(tǒng),如圖5所示。針對(duì)網(wǎng)側(cè)換流器控制系統(tǒng),將圖2中S3,S6,S7,S10閉合,其他開(kāi)關(guān)打開(kāi),通用控制器即可轉(zhuǎn)換為文獻(xiàn)的網(wǎng)側(cè)換流器控制系統(tǒng),如圖6所示。3光伏電池單級(jí)并網(wǎng)控制系統(tǒng)光伏電池有單級(jí)式與雙級(jí)式2種并網(wǎng)結(jié)構(gòu)。將圖2中S4,S5,S7,S10及S11閉合,其他開(kāi)關(guān)打開(kāi),通用控制器可轉(zhuǎn)換為文獻(xiàn)的光伏電池單級(jí)并網(wǎng)控制系統(tǒng),如圖7所示。將圖2中S11,S13閉合,其他開(kāi)關(guān)打開(kāi),光伏電池通過(guò)DC/DC變換器可實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制,將S3,S6,S7,S10閉合,通用控制器將轉(zhuǎn)換為文獻(xiàn)的光伏電池雙級(jí)并網(wǎng)控制系統(tǒng),如圖8所示。4通用控制器燃料電池同樣有單級(jí)式與雙級(jí)式2種并網(wǎng)結(jié)構(gòu),以單級(jí)式并網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例,將圖2中S3,S6,S7及S10閉合,通用控制器可轉(zhuǎn)化為文獻(xiàn)的燃料電池網(wǎng)側(cè)換流器控制系統(tǒng),如圖9所示。5換流器的控制設(shè)計(jì)蓄電池在微網(wǎng)運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用,尤其在孤島運(yùn)行方式下,蓄電池需通過(guò)網(wǎng)側(cè)換流器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻的功能。孤島運(yùn)行方式下,蓄電池網(wǎng)側(cè)換流器可以采用下垂控制或者V/F控制,將圖2中S1閉合,有功功率及無(wú)功功率的參考信號(hào)由下垂控制給出,再將S3,S6,S7及S10閉合,通用控制器可轉(zhuǎn)換為文獻(xiàn)的下垂控制系統(tǒng),如圖10所示。下垂控制是一種有差調(diào)節(jié),當(dāng)需要對(duì)頻率及電壓實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)時(shí)可將圖2中S1及S2同時(shí)閉合,有功功率及無(wú)功功率的參考信號(hào)由V/F控制給出,再將S3,S6,S7及S10閉合,通用控制器可轉(zhuǎn)換為文獻(xiàn)的V/F控制系統(tǒng),如圖11所示。6下光蓄一體化互補(bǔ)控制結(jié)合光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)及蓄電池V/F控制系統(tǒng),可在文獻(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行模式的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行方式下光蓄一體化互補(bǔ)控制,即光伏與蓄電池共用一個(gè)逆變器實(shí)現(xiàn)各自控制目標(biāo)。將圖2中S11,S13閉合,光伏通過(guò)DC/DC控制器實(shí)現(xiàn)光伏的最大功率跟蹤控制,然后將S1,S2閉合,S3,S6,S7及S10閉合,以V/F控制實(shí)現(xiàn)蓄電池的調(diào)壓調(diào)頻功能,通用控制器轉(zhuǎn)換為圖12所示控制系統(tǒng)。4光伏電池充放電為驗(yàn)證本文通用控制器模型的正確性與有效性,在文獻(xiàn)所示低壓微網(wǎng)算例上接入幾種典型的分布式電源,網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及分布式電源內(nèi)部參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn),分布式電源運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)附錄B。通過(guò)本文通用控制器模型構(gòu)建各分布式電源的電力電子控制系統(tǒng):微網(wǎng)A內(nèi)燃料電池設(shè)置為恒功率控制,蓄電池設(shè)置為下垂控制,光伏電池設(shè)置為含MPPT的直流電壓與無(wú)功功率控制;微網(wǎng)B內(nèi)蓄電池及光伏電池設(shè)置為光蓄一體互補(bǔ)控制。微網(wǎng)以孤島方式運(yùn)行,起始運(yùn)行時(shí)刻開(kāi)關(guān)S2閉合,5s時(shí)開(kāi)關(guān)S2打開(kāi),形成兩個(gè)微網(wǎng)A與B獨(dú)立運(yùn)行。仿真平臺(tái)為天津大學(xué)所開(kāi)發(fā)的仿真軟件SSDG,部分仿真結(jié)果如圖13至圖15所示。由仿真結(jié)果可以看出,起始運(yùn)行時(shí)微網(wǎng)A與微網(wǎng)B中光伏電池均通過(guò)MPPT控制達(dá)到最大功率后穩(wěn)定運(yùn)行;在開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)后,微網(wǎng)A內(nèi)蓄電池采用下垂控制,頻率最終以有差調(diào)節(jié)的方式達(dá)到穩(wěn)定值,光伏電池由于未經(jīng)DC/DC控制器,在S2斷開(kāi)時(shí),會(huì)受到擾動(dòng)而出現(xiàn)功率波動(dòng);微網(wǎng)B內(nèi)光伏一體控制系統(tǒng)中,換流器采用V/F控制,系統(tǒng)頻率以無(wú)差調(diào)節(jié)方式穩(wěn)定在50Hz,且光伏電池通過(guò)DC/DC控制器,在S2斷開(kāi)時(shí)刻幾乎不受擾動(dòng)的影響。此外,分布式電源初始及擾動(dòng)后的功率各自不同,在不同功率水平下均可采用通用控制器構(gòu)建其控制系統(tǒng),分布式電源受擾動(dòng)后的過(guò)渡過(guò)程及最終穩(wěn)態(tài)運(yùn)行結(jié)果,驗(yàn)證了本文通用控制器模型的正確性與有效性以及在不同功率水平下的適應(yīng)性。5基于通用控制器的仿真優(yōu)化本文針對(duì)微網(wǎng)暫態(tài)仿真的需要,發(fā)展了分布式電源電力電子