微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)的電壓控制

0微網(wǎng)系統(tǒng)的研究近年來，隨著能源消耗和環(huán)境污染的大量消耗，世界各國都高度重視水電、能源、電池等新能源發(fā)電，這是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染不可替代的能源。由于風(fēng)能、太陽能具有間歇式特點(diǎn),系統(tǒng)輸出功率受天氣條件影響,會(huì)對大電網(wǎng)產(chǎn)生巨大沖擊。為了充分利用可再生能源,學(xué)者提出微網(wǎng)系統(tǒng)的概念。當(dāng)外部電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),微電網(wǎng)仍可以給本地負(fù)載提供持續(xù)、可靠、高質(zhì)量的電能,增加電網(wǎng)抵御自然災(zāi)害的能力。因此,微網(wǎng)系統(tǒng)逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行模式時(shí),逆變器作為系統(tǒng)運(yùn)行的核心裝置,對其控制研究成為核心技術(shù)之一。傳統(tǒng)單閉環(huán)電壓控制雖然響應(yīng)速度較快,但逆變器交流側(cè)接LC濾波器,負(fù)載呈感性時(shí)變成3階LCL濾波器,系統(tǒng)容易失穩(wěn)。文獻(xiàn)將高壓系統(tǒng)的下垂特性應(yīng)用于低壓微網(wǎng),采用多環(huán)反饋控制器,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,但考慮系統(tǒng)阻抗問題,使系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。文獻(xiàn)提出改進(jìn)的PV下垂控制(NPV),加入電壓和頻率偏差的前饋調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的二次調(diào)節(jié),但系統(tǒng)處于并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),逆變器輸出功率波動(dòng)較大。文獻(xiàn),提出基于虛擬阻抗的改進(jìn)下垂控制策略,引入虛擬電抗削弱線路阻性引起的功率耦合,解決線路阻抗不平衡帶來的無功均分問題。但負(fù)載呈感性時(shí),虛擬電感會(huì)造成電壓畸變,且實(shí)際中虛擬阻抗值的大小也很難確定。本文采用預(yù)同步電壓電流雙閉環(huán)控制策略,在不同負(fù)載類型情況下,使逆變器輸出功率能夠?qū)崟r(shí)滿足負(fù)載需求;控制交流側(cè)母線電壓和頻率,提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。最后,通過Matlab/Simulink仿真,驗(yàn)證了該控制策略的有效性。1在孤島模型中，逆向數(shù)學(xué)模型1.1雙向變壓器組成微網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)微網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式下,圖1中帶虛線的電網(wǎng)部分被省略,三相逆變器由直流電壓源udc、三相逆變橋、LC濾波器、交流母線、交流負(fù)載組成。其中逆變器橋臂中點(diǎn)電壓分別為ea,eb,ec;濾波電容電壓分別為ua,ub,uc;濾波電感電流分別為ial,ibl,icl;負(fù)載電流分別為ida,idb,idc。1.2變壓器數(shù)學(xué)模型由于微網(wǎng)系統(tǒng)在孤島運(yùn)行模式下,系統(tǒng)完全失去了大電網(wǎng)的支撐和鉗位,系統(tǒng)變成了自治系統(tǒng)。根據(jù)圖1選取電感電流、負(fù)載電壓以及負(fù)載電流為控制變量,可以得出逆變器在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為式中:id,iq,ud,uq分別為電感電流、負(fù)載電壓的直流分量;idd,idq分別為負(fù)載電流的直流分量;R,L分別為負(fù)載中串聯(lián)的電阻和電感;ω0Lidd,-ω0Lidq為耦合電壓;ω0Cud,-ω0Cuq為耦合電流。2微網(wǎng)絡(luò)自治控制戰(zhàn)略2.1出電壓x、kp、kis-u3000電流黨內(nèi)突變控制方程在孤島模式下,為了保證微網(wǎng)系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定的電源,滿足電源與負(fù)荷之間的功率平衡,逆變器的控制采用電壓電流雙環(huán)控制,為系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐。根據(jù)逆變器數(shù)學(xué)模型,可以得出電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方程為式中:usd,usq為逆變器參考電壓;kp和ki為電流調(diào)節(jié)器的控制參數(shù);ωref為電網(wǎng)角頻率。根據(jù)式(2),(3)可以得出電壓電流雙閉環(huán)的控制框圖,如圖2所示。圖中電壓外環(huán)的給定電壓E*和反饋電壓E作比較后,經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié),其輸出量作為電流內(nèi)環(huán)的參考電流il*,與反饋電流il進(jìn)行比較,并經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié);i為負(fù)載電流;kpv,kiv分別為電壓環(huán)控制器的參數(shù);kpi,kii分別為電流環(huán)控制器的參數(shù);Ts為系統(tǒng)采樣周期;KPWM為PWM增益;L,C為濾波電感電容。2.2孤島模式下變壓器控制框圖根據(jù)圖2和MASON公式可以得到系統(tǒng)的電壓開環(huán)傳遞函數(shù):其閉環(huán)傳遞函數(shù)為由圖3可知,系統(tǒng)相角裕度為50°,幅值裕度大于50dB,系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性,由圖4可知系統(tǒng)具有較寬的帶寬。孤島模式運(yùn)行下逆變器的控制框圖如圖5所示。在單電壓環(huán)的基礎(chǔ)上加入電流內(nèi)環(huán),使電壓環(huán)獲得更好的抗干擾性能,通過對給定頻率進(jìn)行積分得到坐標(biāo)變換所需的相位θ,由參考電壓和反饋電壓進(jìn)行比較后,經(jīng)PI調(diào)節(jié)并加入電容電流解耦環(huán)節(jié),其輸出量作為電流內(nèi)環(huán)的參考電流,然后與反饋電流進(jìn)行比較,經(jīng)過PI調(diào)節(jié)并加入電感電壓解耦環(huán)節(jié),同時(shí)引入電壓前饋補(bǔ)償消除電壓擾動(dòng),由此,電壓、電流交叉耦合前饋補(bǔ)償項(xiàng)減小了兩者之間的耦合,提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,最后電流內(nèi)環(huán)的輸出誤差量經(jīng)過反Park變換后,采用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)對逆變器進(jìn)行有效控制。3交流側(cè)母線電壓與頻率的控制在不同負(fù)載的情況下,為了驗(yàn)證電壓電流雙環(huán)控制策略對交流側(cè)母線電壓與頻率的控制,在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下搭建仿真模型,其中負(fù)載包括純阻性負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載,具體的仿真參數(shù)如表1。(1)交流側(cè)負(fù)載和頻率該算例中負(fù)載均呈阻性,在直流電壓恒定不變的條件下,各負(fù)載阻抗均為Z=100Ω;串聯(lián)電感、電容均為0;頻率為50Hz。負(fù)載突增、突減時(shí)逆變器輸出功率和負(fù)載功率的動(dòng)態(tài)波形如圖6所示。由圖6可知,負(fù)載在0.2,0.4,0.8s時(shí)突增,逆變器能迅速調(diào)整其出力以滿足負(fù)載功率需求,在0.6s時(shí)負(fù)載突減,逆變器也能迅速精確分配輸出功率,由于濾波電容的容性無功及紋波電流的存在,造成逆變器輸出功率波動(dòng),但負(fù)載為阻性,其無功需求始終為0。交流側(cè)母線電壓有效值和頻率波形如圖7所示。在負(fù)載突變情況下,其母線電壓和頻率均很穩(wěn)定。圖8為負(fù)載突變時(shí)負(fù)載電壓、電流波形,負(fù)載投入或切除均會(huì)引起負(fù)載電流的變化,而負(fù)載電壓波形變化較小。(2)感負(fù)載突增、突減時(shí)負(fù)載動(dòng)效性該算例中負(fù)載呈感性,其主要參數(shù)與算例1的參數(shù)相同,負(fù)載串聯(lián)電感100mH,仿真結(jié)果如圖9~11所示。圖9為感性負(fù)載突增、突減時(shí)逆變器輸出功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形,同樣設(shè)置負(fù)載在0.2,0.4,0.8s突增和0.6s突減,由于負(fù)載呈感性,無功需求大量增加,而逆變器仍能迅速精確分配其輸出的感性無功以滿足負(fù)載需求。圖10為感性負(fù)載交流側(cè)母線電壓有效值和頻率波形,沒有出現(xiàn)較大波動(dòng)。圖11為感性負(fù)載突增、突減時(shí),負(fù)載電壓、電流波形均為正弦。(3)特性測試結(jié)果該算例中負(fù)載呈容性,其主要參數(shù)前兩者相同,串聯(lián)電容100μF,仿真結(jié)果如圖12~13。圖12為容性負(fù)載突增、突減時(shí)逆變器輸出功率和負(fù)載功率波形,負(fù)載在0.2s,0.4s,0.8s突增和0.6s突減,逆變器輸出無功和負(fù)載無功均出現(xiàn)明顯波動(dòng),其容性無功需求比較大,由于濾波電容可以補(bǔ)償部分無功,因此逆變器輸出的無功小于負(fù)載無功。圖13為交流側(cè)電壓有效值和頻率波形,與算例(1)、(2)相比,負(fù)載擾動(dòng)影響更為明顯。容性負(fù)載時(shí),負(fù)載突增、突減的三相電壓、電流波形與負(fù)載呈感性時(shí)相似。4不同負(fù)載突變時(shí)的仿真結(jié)果分析當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行模式下,不同負(fù)載對逆變器輸出功率的影響不同,主要情況分為以下3種:①當(dāng)負(fù)載均為阻性負(fù)載時(shí),由于系統(tǒng)中存在線路阻抗,消耗系統(tǒng)一些有功。負(fù)載無功為0,但系統(tǒng)中存在濾波電容及紋波電流,提供部分無功,導(dǎo)致逆變器輸出無功增加;②當(dāng)負(fù)載呈感性時(shí),除存在①的情況外,不同之處在于濾波電感電容與負(fù)載電感組成一個(gè)3階LCL濾波器,容易引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。在負(fù)載發(fā)生突變時(shí),雖然逆變器輸出功率發(fā)生波動(dòng),交流母線電壓和頻率也發(fā)生波動(dòng),但波動(dòng)都不明顯,仍在誤差允許范圍內(nèi);③當(dāng)負(fù)載呈容性時(shí),除存在①和②的情況外,由于負(fù)載電容與濾波電感電容組成一個(gè)4階LCLC濾波器,更容易引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。負(fù)載發(fā)生突變時(shí),逆變器輸出的無功波動(dòng)明顯。在容性負(fù)載不斷投入時(shí),逆變器不能給負(fù)載提供足夠的無功,此時(shí)應(yīng)該切除一些次要負(fù)載,