基于V/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器研究

張 闖,趙志剛

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

基于V/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器研究

張 闖,趙志剛

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

針對(duì)變流器控制參數(shù)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，基于V/f控制模式提出了基于極點(diǎn)配置的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制參數(shù)設(shè)計(jì)方法。首先，介紹了微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)，分析并比較了微電網(wǎng)變流器三種控制模式的優(yōu)缺點(diǎn)；其次，提出和建立了基于V/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制框圖及數(shù)學(xué)模型，并基于極點(diǎn)配置法給出了基于V/f控制模式PI參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程；最后，采用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)進(jìn)行了基于V/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器的仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，基于極點(diǎn)配置法在獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中的有效性，該研究為微電網(wǎng)變流器控制參數(shù)的設(shè)計(jì)提供參考。

獨(dú)立微電網(wǎng)；V/f控制模式；極點(diǎn)配電；仿真驗(yàn)證

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)體制改革的不斷深入及工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，我國(guó)工業(yè)用電及居民用電量劇增[1]。傳統(tǒng)的石油、煤炭等化石能源受自身儲(chǔ)存量限制及燃燒發(fā)電過(guò)程中所帶來(lái)的污染等問(wèn)題成為制約建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)的因素。因此，大力開發(fā)清潔環(huán)保可再生的新能源成為解決能源短缺及環(huán)境問(wèn)題的有效途徑[2]。風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源具有環(huán)保、友好等特點(diǎn)，因此大力開發(fā)風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源微電網(wǎng)發(fā)電技術(shù)是未來(lái)我國(guó)電力能源發(fā)展的一大主流趨勢(shì)。在風(fēng)能、太陽(yáng)能等微電網(wǎng)并/離網(wǎng)發(fā)電技術(shù)中，變流器控制技術(shù)是影響分布式電源并/離網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，因此開展分布式電源變流器控制技術(shù)的研究對(duì)促進(jìn)風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

近年來(lái)，有關(guān)分布式電源變流器控制的研究已經(jīng)逐步展開。文獻(xiàn)[3-4]對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行控制方式進(jìn)行了研究，分別介紹了PQ控制、V/f控制以及下垂控制原理，并對(duì)由PQ控制和V/f控制組成的微電網(wǎng)主從控制進(jìn)行建模和仿真；文獻(xiàn)[5-7]對(duì)微電網(wǎng)下垂控制進(jìn)行研究，提出了基于虛擬阻抗的微電網(wǎng)下垂控制策略，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提出策略的有效性；文獻(xiàn)[8-10]對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)孤島運(yùn)行控制策略進(jìn)行研究，其中儲(chǔ)能逆變器采用V/f控制策略，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)采用最大功率跟蹤輸出的PQ控制策略，通過(guò)對(duì)不同運(yùn)行工況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的控制策略的有效性。上述文獻(xiàn)都是以變流器的幾種控制模式為基礎(chǔ)，進(jìn)行可再生能源的仿真，但是有關(guān)幾種控制模式內(nèi)部的雙環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)等問(wèn)題并未詳細(xì)介紹。該研究以V/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器為研究對(duì)象，詳細(xì)介紹基于V/f控制模式的變流器的參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程，可為變流器的參數(shù)設(shè)計(jì)提供算法指導(dǎo)。

1 微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)大電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比，微電網(wǎng)具有靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清潔可靠等優(yōu)點(diǎn)。世界上建成的首個(gè)微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)中有三條饋線A、B、C，微電網(wǎng)中的分布式電源和負(fù)荷都連接在A、B、C三條饋線上。微電網(wǎng)通過(guò)公共連接點(diǎn)(PCC)及隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)與外部電網(wǎng)連接的通斷。在微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)中，微電網(wǎng)負(fù)荷可以分為4類，即：敏感負(fù)荷、可調(diào)節(jié)負(fù)荷、非敏感負(fù)荷以及熱負(fù)荷。其中，敏感負(fù)荷和熱負(fù)荷連接在饋線A上，可調(diào)節(jié)負(fù)荷連接在饋線B上，非敏感負(fù)荷連接在饋線C上。外部電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，微電網(wǎng)通過(guò)隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)與外部電網(wǎng)的斷開從而實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行，通過(guò)采用合適的變流器控制模式及切除非敏感負(fù)荷可實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的孤立穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在獨(dú)立微電網(wǎng)的運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)行變流器控制模式的研究對(duì)于維持微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行具有重要意義。

2 獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制模式

獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制模式選擇的合理性是決定獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)孤島穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。逆變器作為可再生能源發(fā)電并向負(fù)載或大電網(wǎng)傳輸能量的關(guān)鍵裝置，其變流器控制模式的選擇將嚴(yán)重影響分布式電源發(fā)電的電能質(zhì)量。在微電網(wǎng)控制中，普遍用的微電網(wǎng)變流器控制模式包括恒功率控制(PQ控制)、恒壓恒頻V/f控制和下垂控制三種模式。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合及三種模式自身的不同特性可知，三種控制模式各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)范圍。不同控制模式的比較結(jié)果如表1所示。

表1 不同控制模式比較

PQ控制模式表現(xiàn)為電流源特性，可應(yīng)用于微電網(wǎng)并網(wǎng)模式或者與V/f或下垂控制模式相結(jié)合應(yīng)用于孤島模式；V/f控制模式表現(xiàn)為電壓源特性，可維持獨(dú)立微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定，可應(yīng)用于微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式；下垂控制表現(xiàn)為電壓源特性，適用于微電網(wǎng)并網(wǎng)或者孤島運(yùn)行模式。針對(duì)獨(dú)立微電網(wǎng)的研究，以V/f控制模式為研究對(duì)象，進(jìn)行獨(dú)立微電網(wǎng)變流器的參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程的介紹。

3 V/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器參數(shù)設(shè)計(jì)

基于V/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制框圖如圖2所示。為后續(xù)研究方便，分布式電源等效為恒壓源。基于V/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制過(guò)程如下：通過(guò)采集變流器輸出的經(jīng)過(guò)LC濾波裝置得到的三相電壓和三相電流，將采集的三相電壓和三相電流經(jīng)過(guò)Park變換得到相對(duì)應(yīng)的dq直流分量；考慮補(bǔ)償環(huán)節(jié)，將dq直流參考分量與相應(yīng)的直流分量做差比較并進(jìn)行電壓外環(huán)PI及電流內(nèi)環(huán)PI控制得到調(diào)制信號(hào)，最后將得到的調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)Park反變換及PWM脈沖調(diào)制模塊得到控制三相全橋變流器導(dǎo)通和關(guān)斷的六脈波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)變流器導(dǎo)通和關(guān)斷的控制[11]。

圖2 基于V/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制框圖

3.1 基于V/f控制策略數(shù)學(xué)模型

如圖2，交流側(cè)LC濾波電路數(shù)學(xué)模型表達(dá)式如下所示：

(1)

(2)

交流側(cè)LC濾波電路在dq軸下的數(shù)學(xué)模型為

(3)

(4)

式中，Vabc、Iabc分別表示經(jīng)過(guò)LC濾波裝置采集得到的三相電壓和三相電流；I0abc表示經(jīng)過(guò)LC濾波后流過(guò)負(fù)載的三相電流；Vd、Vq、id、iq、i0d、i0q分別表示三相電壓和三相電流經(jīng)過(guò)Park變換后得到的dq軸分量；Cf、Lf分別表示濾波電容和濾波電感。

經(jīng)過(guò)Park變換得到的三相電壓和三相電流的dq軸直流分量之后，需要將得到的電壓和電流dq軸直流分量進(jìn)行電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制過(guò)程，基于V/f控制模式的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制的數(shù)學(xué)模型為

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

3.2 V/f控制模式PI參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程

將圖2中的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制經(jīng)過(guò)拉普拉斯變換，經(jīng)化簡(jiǎn)可得到基于V/f控制模式的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制框圖如圖3所示。

圖3 基于V/f控制模式的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制框圖

電壓外環(huán)采用比例-積分控制，電流內(nèi)環(huán)采用比例環(huán)節(jié)，則經(jīng)過(guò)電壓外環(huán)得到的電流內(nèi)環(huán)的輸入量參考值為In-ref，則輸出量iCn的表達(dá)式為

(13)

外環(huán)輸入量為Vn-ref，輸出量為Un，則外環(huán)的表達(dá)式為

(14)

將式(14)帶入式(13)并進(jìn)行化簡(jiǎn)可得到輸出變量Un與輸入變量之間的函數(shù)表達(dá)式為

(15)

令：

則公式(15)可化簡(jiǎn)為

Un=Gn(S)Vn-ref-Z(S)ion

(16)

由于采用比例-積分環(huán)節(jié)，電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制屬于非線性控制，為實(shí)現(xiàn)電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)比例-積分環(huán)節(jié)參數(shù)的設(shè)置，通?？刹捎矛F(xiàn)代控制理論中的極點(diǎn)配置法進(jìn)行電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)比例-積分環(huán)節(jié)參數(shù)的設(shè)置。由式(13)可知，電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行極點(diǎn)配置時(shí)的傳遞函數(shù)表達(dá)式為

(17)

由理論及計(jì)算可知，三階系統(tǒng)的極點(diǎn)分布表達(dá)式為

(18)

式中，S1,2作為系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大；S3作為系統(tǒng)的非主導(dǎo)極點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的影響較小。

電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)三階系統(tǒng)的表達(dá)式為

(19)

令D(S)=Dr(S)可得：

(20)

經(jīng)化簡(jiǎn)可得到：

(21)

4 仿真分析

按照?qǐng)D2的基于V/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制框圖及V/f控制模式PI參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程，在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)中搭建基于V/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制模型。通過(guò)V/f控制模式PI參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程計(jì)算出電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)比例-積分環(huán)節(jié)的控制參數(shù)?；赩/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制參數(shù)如表2所示。仿真時(shí)間取2.0 s，獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)有功功率為70 kW，無(wú)功功率為0 kVar，基于V/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4所示。

表2 基于V/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制參數(shù)

圖4 基于V/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

如圖4所示，獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制系統(tǒng)負(fù)載側(cè)有功功率為70 kW，無(wú)功功率為0 kVar，負(fù)載側(cè)頻率穩(wěn)定在49.8～50.2 Hz之間，三相電壓波形及幅值滿足負(fù)載需求。從仿真圖4可以分析出，V/f控制模式能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立微電網(wǎng)的電壓和頻率的穩(wěn)定，從側(cè)面證明了所提出的基于V/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制框圖及V/f控制模式PI參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程在變流器控制參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中的有效性。

5 結(jié) 論

基于V/f控制模式提出了基于極點(diǎn)配置的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制參數(shù)設(shè)計(jì)方法。首先，介紹了微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)，分析并比較了微電網(wǎng)變流器三種控制模式的優(yōu)缺點(diǎn)；其次，提出和建立了基于V/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制框圖及數(shù)學(xué)模型，并基于極點(diǎn)配置法給出了基于V/f控制模式PI參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程；最后，運(yùn)用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)進(jìn)行了基于V/f控制模式的獨(dú)立微電網(wǎng)變流器的仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，基于極點(diǎn)配置法在獨(dú)立微電網(wǎng)變流器控制參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中的有效性，為微電網(wǎng)變流器控制參數(shù)的設(shè)計(jì)提供參考。

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IndependentMicrogridConverterResearchBasedonV/fControlMode

ZHANGChuang,ZHAOZhi-gang

(SchoolofElectricPowerEngineering,ShenyangInstituteofEngineering,Shenyang110136,LiaoningProvince)

For the design of converter control parameters,the control parameters design of independent microgrid converter based on pole assignment is proposed on the basis of V/f control model. First of all,the typical structure of microgrid is introduced,and the advantages and disadvantages of three control modes of microgrid are analyzed and compared. Secondly,the control block diagram and mathematical model of the independent microgrid converter based on V/f control mode are proposed and established. Based on the pole assignment method,the design process of the PI parameter based on the V/f control mode is given. Finally,based on the Matlab/Simulink simulation platform,the simulation of the independent microgrid converter based on V/f control mode is carried out. The simulation results show that the proposed method is effective in the design of control parameters of an independent microgrid converter,which is provided a reference for the design of control parameters of micro grid converter.

Independent microgrid;V/f control model;pole distribution;simulation verification

TM743

A

1673-1603(2017)04-0347-06

(責(zé)任編輯魏靜敏校對(duì)張凱)

2017-06-29

張 闖(1991-)，男，遼寧鐵嶺人，碩士研究生。

趙志剛(1961-)，男，吉林長(zhǎng)春人，高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化、微電網(wǎng)及新能源發(fā)電方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.04.010