電網(wǎng)故障下的電能路由器直流電容電壓平衡控制策略

肖 遷, 何晉偉, 王 浩, 賈宏杰

(智能電網(wǎng)教育部重點實驗室(天津大學(xué)), 天津市 300072)

0 引言

近年來,各國學(xué)者陸續(xù)提出了構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)或能源互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)想,旨在為世界提供更安全、更經(jīng)濟、更清潔、可持續(xù)的能源,這一思路將進一步提高分布式可再生能源發(fā)電在配電網(wǎng)的滲透率[1-4]。電能路由器作為能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成設(shè)備,引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5-10]。電能路由器可以實現(xiàn)潮流控制、無功補償、諧波治理、交直流變換功能,同時其固有的特性更便于可再生能源接入[8-10]。

電能路由器直流電容電壓的升高會導(dǎo)致功率器件電壓應(yīng)力增大,減少其使用壽命,嚴(yán)重時可能損壞功率器件,使得電能路由器系統(tǒng)退出正常運行狀態(tài)。為了保證電能路由器安全、可靠運行,部分學(xué)者對三級型電能路由器進行了直流電容電壓的平衡控制研究[11-19]。對于單相電能路由器,學(xué)者使用類似的雙層電壓平衡控制策略,具體區(qū)別在于二次電壓外環(huán)參考值選擇[11-12]和內(nèi)環(huán)電流控制[11,13]。對于三相模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)型電能路由器,文獻[14]使用類似的控制方法[11-13],但在dq坐標(biāo)系下,對直流電流進行跟蹤。對于三相混合級聯(lián)式電能路由器,文獻[15]提出單層的電壓平衡控制策略,借助中間級的直流母線輸出作為反饋,簡化了控制環(huán)節(jié)。對于三相級聯(lián)H橋型(cascaded H-bridge,CHB)電能路由器,文獻[16]使用高壓直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)電流的雙環(huán)控制(無差拍控制)策略,實現(xiàn)對交流量的直接控制以及直流電容電壓平衡。文獻[17-19]控制策略本質(zhì)同單相電能路由器[11],區(qū)別在雙層的電壓反饋值選擇。上述研究主要是關(guān)注電網(wǎng)正常運行狀況(三相對稱電網(wǎng))時的直流電容電壓平衡問題,但是,一旦電網(wǎng)發(fā)生故障(三相不對稱電網(wǎng)),相間功率則會不平衡,因此上述的控制方法都將失效,無法實現(xiàn)直流電容電壓平衡。

目前,對于電網(wǎng)故障下的電能路由器控制研究較少,相關(guān)的工作可借鑒多電平變流器在子模塊和電網(wǎng)故障時的容錯運行研究[20-25]。文獻[20]提出了零序電壓注入法來維持線電壓恒定,由于需要對臨界電壓區(qū)間的調(diào)制波進行重構(gòu),故控制策略較復(fù)雜。文獻[21]分析傳統(tǒng)載波移相調(diào)制方法的特點,提出了僅對子模塊故障相進行子模塊對稱切除的容錯方法,通過對故障相的載波重構(gòu),避免了中性點的移動,但實際應(yīng)用有很強的局限性。文獻[22]針對不平衡電網(wǎng),通過對橋臂注入負(fù)序二次環(huán)流和對零序環(huán)流進行抑制,保證直流電壓的恒定和提高系統(tǒng)不平衡故障穿越能力。文獻[23-24]在不平衡條件時,通過分析環(huán)流的正序、負(fù)序和零序分量,設(shè)計比例積分諧振控制器來抑制正、負(fù)、零序分量,但忽略了子模塊直流電容電壓波動。文獻[25]在大規(guī)模光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的子模塊H橋故障時,通過分析每相的功率情況來得出需要注入的零序電壓,實現(xiàn)三相網(wǎng)側(cè)電流平衡控制。

針對上述存在的問題,本文在對不平衡的功率進行理論分析的基礎(chǔ)上,提出了三層結(jié)構(gòu)的直流電容電壓平衡控制策略,其中間層通過動態(tài)調(diào)整定義的加權(quán)系數(shù),來靈活控制注入的零序電壓和負(fù)序電流各自承擔(dān)的相間移動功率,提高系統(tǒng)控制自由度。不同加權(quán)系數(shù)的仿真結(jié)果驗證了所提控制策略的正確性和可行性,能夠保證電網(wǎng)故障時電能路由器的直流電容電壓始終保持平衡。

1 電能路由器的結(jié)構(gòu)

電能路由器既可視為電力系統(tǒng)追求開發(fā)能源互聯(lián)的一種自然之需,也可以視為電力電子器件和裝置研究向網(wǎng)絡(luò)化和系統(tǒng)化層面延伸的必然結(jié)果。三級型電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,具有模塊化、易拓展和靈活性高等優(yōu)點,由前級(AC/DC變換器)、中間級(DC/DC變換器)和后級(DC/AC變換器)組成。前級采用級聯(lián)型H橋結(jié)構(gòu),中間級采用雙主動全橋(dual active bridge, DAB)結(jié)構(gòu),后級為傳統(tǒng)的逆變器結(jié)構(gòu)。后級控制不作為本文的研究,以“等效負(fù)荷”代替。詳細(xì)的建模情況見文獻[17-19]。

圖1 三級型電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of three-level electrical energy router

多端口結(jié)構(gòu)是電能路由器的重要優(yōu)勢,具有交流端口(中/高壓)、直流端口(低壓)和經(jīng)逆變器輸出的交流端口(低壓)。本文給出典型的三級型電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖1所示。電能路由器的前級每相由N個H橋串聯(lián)組成,其直流電容電壓為Vdcj(j=1,2,…,3N),并通過中/高壓交流端口直接連接到配電網(wǎng),無需傳統(tǒng)的變壓器進行電壓變換;電能路由器的中間級由12個DAB并聯(lián)組成,其輸入端分別連接到前級的直流電容,輸出端的直流母線電壓為VDC,并通過低壓直流端口連接到后級的逆變器,提供電壓變換、隔離等功能。固有的直流端口,便于連接光伏、儲能設(shè)備、電動汽車等直流裝置,滿足能源互聯(lián)網(wǎng)的即插即用需求。

2 直流電容電壓平衡控制策略

針對電網(wǎng)故障時電能路由器的直流電容電壓平衡問題,本文提出了直流電容電壓平衡控制策略,如圖2所示,為三層結(jié)構(gòu)(首層、中間層和底層)。借助定義的加權(quán)系數(shù)K,使得注入的零序電壓和負(fù)序電流組合起來分擔(dān)相間功率不平衡任務(wù),提高系統(tǒng)的控制自由度,始終實現(xiàn)電網(wǎng)故障下的電能路由器直流電容電壓平衡。

(1)

(2)

(3)

式中:ω為交流電角頻率。

圖2 三層結(jié)構(gòu)的直流電容電壓平衡控制策略Fig.2 Three-layer control strategy for balancing DC capacitor voltage

AC/DC變換器三相電壓為:

(4)

定義零序電壓為:

vOM=VOMcos(ωt+γ)

(5)

式中:VOM和γ分別為零序電壓的幅值和相角。

在圖2中,為了減少2倍頻的波動影響,前級的直流電容電壓Vdcj(j=1,2,…,3N)采樣需要經(jīng)低通濾波器處理得到直流電容電壓Vdcmn(m=a,b,c;n=1,2,…,N)。

1)經(jīng)“平均值計算”模塊后,可得到每相直流電容電壓平均值Vdcm_ave(m=a,b,c)和總直流電容電壓平均值Vdc_ave。

(6)

下面介紹三相不平衡的功率理論分析,為注入的零序電壓和負(fù)序電流提供理論指導(dǎo)。

AC/DC變換器每相的瞬時功率為:

(7)

經(jīng)過積分環(huán)節(jié),AC/DC變換器每相平均功率為:

(8)

注入的零序電壓承擔(dān)的相間移動功率為:

(9)

式中:Pm(m=a,b,c)為電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時導(dǎo)致的需要移動的相間功率。在電網(wǎng)電壓正常情況下,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時,Pm應(yīng)為0。

在兩相靜止坐標(biāo)系(αβ)下,有

(10)

由上式可得零序電壓的直軸分量和交軸分量分別為:

(11)

零序電壓的幅值和相角分別為:

(12)

γ=

(13)

注入的負(fù)序電流承擔(dān)的相間移動功率為:

(14)

在兩相靜止坐標(biāo)系(αβ)下,有

(15)

由上式可得負(fù)序電流的直軸和交軸分量參考值如下:

(16)

3 仿真驗證

為了驗證本文所提的三層結(jié)構(gòu)的直流電容電壓平衡控制策略的可行性,在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建三級型電能路由器仿真平臺,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同圖1。對應(yīng)的仿真參數(shù)如下:三相電網(wǎng)系統(tǒng)容量為100 kW,線電壓為3 300 V,頻率為50 Hz,電感L為5 mH;AC/DC變換器(前級)每相H橋數(shù)目N=4,開關(guān)頻率為4 kHz,直流電容為4 mF,直流電容電壓參考值為750 V;DC/DC變換器(中間級)漏感為0.5 mH,開關(guān)頻率為4 kHz,直流電容為1 mF,直流電容電壓參考值為700 V;DC/AC變換器(后級)等效負(fù)荷為5 Ω。首層中,KP1=0.8 A/V,KI1=8 A/(V·s);中間層中KP2=300 W/V,KI2=3 000 W/(V·s),底層中KP3=2,KI3=20。

基于課題組的某校企合作項目(要求線電壓等級為3.3 kV)和典型參考文獻[16](其線電壓為3 kV,選取最大10%的擾動),將電能路由器應(yīng)用于3.3 kV線電壓等級電網(wǎng)系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)中,設(shè)置電網(wǎng)在t=2 s時刻發(fā)生故障,此時電網(wǎng)c相電壓跌落95%,觀察傳統(tǒng)方法[17-19]和本文所提的方法的直流電容電壓、直流母線電壓、電網(wǎng)電流仿真波形。

對于傳統(tǒng)方法,電能路由器的仿真波形見附錄A圖A1。電網(wǎng)電壓正常(未發(fā)生故障)時,前級的直流電容電壓平衡,且電網(wǎng)電流平衡。電網(wǎng)故障時,由于c相電壓的驟降,導(dǎo)致c相的直流電容電壓跌落220 V左右,因此,直流電容電壓不平衡,但整個過程直流母線電壓一直穩(wěn)定于其參考值附近。對于三相電網(wǎng)電流,由平衡狀態(tài)變?yōu)椴黄胶鉅顟B(tài)。

使用本文所提的方法,電能路由器仿真波形、注入的零序電壓和負(fù)序電流仿真波形分別如附錄A圖A2和圖A3所示。借助加權(quán)系數(shù)K,使得零序電壓和負(fù)序電流結(jié)合起來。由于可以主觀選擇其大小,即靈活分配注入的零序電壓和負(fù)序電流各自承擔(dān)的相間移動功率,因此,對于其典型值(K=0,K=0.5,K=1)重點觀察仿真波形。電網(wǎng)故障發(fā)生前后,不論K取任何值(0≤K≤1),直流電容電壓始終保持平衡,且直流母線電壓始終穩(wěn)定于其參考值附近。當(dāng)K=0時,負(fù)序電流為0,即只有注入的單一零序電壓負(fù)責(zé)解決相間功率不平衡問題,因此,此時注入的零序電壓最大,直流電容電壓始終保持平衡且仍保持電網(wǎng)電流平衡;當(dāng)K=0.5時,即注入的零序電壓和零序電流平均分配相間移動功率的任務(wù),提高了控制自由度,此時注入的零序電壓幅值相比單一零序電壓減少近一半,保證直流電容電壓始終保持平衡但無法實現(xiàn)電網(wǎng)電流平衡輔助功能;當(dāng)K=1時,零序電壓為0,即只有注入的單一零序電流進行相間功率調(diào)整,此時注入的負(fù)序電流幅值相比單一負(fù)序電流增加近一倍,保證直流電容電壓始終保持平衡但無法實現(xiàn)電網(wǎng)電流平衡輔助功能。

采用本文所提的方法,可以根據(jù)實際需要(如三相網(wǎng)側(cè)電流的約束,實現(xiàn)三相網(wǎng)側(cè)電流平衡的輔助功能等)來調(diào)整定義的加權(quán)系數(shù)K,靈活分配零序電壓和負(fù)序電流承擔(dān)的相間功率移動任務(wù),提高系統(tǒng)的控制自由度,始終實現(xiàn)電能路由器直流電容電壓平衡的控制目標(biāo)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時,雖然通過定義的加權(quán)系數(shù)K可將注入的零序電壓和負(fù)序電流結(jié)合起來解決電能路由器的直流電容電壓平衡問題,但是隨著負(fù)序電流承擔(dān)的相間功率移動任務(wù)變重,即K逐漸增大(Kmax=1),需要考慮電能路由器的三相網(wǎng)側(cè)電流的實際約束,防止電流越限。

4 結(jié)語

本文通過理論分析相間移動功率情況,提出了三層結(jié)構(gòu)的直流電容電壓平衡控制策略,借助定義的加權(quán)系數(shù),將注入的零序電壓和負(fù)序電流結(jié)合起來解決電能路由器前級的相間功率平衡問題,保障電能路由器在電網(wǎng)故障時直流電容電壓始終保持平衡。該方法可以靈活分配零序電壓和負(fù)序電流承擔(dān)的相間功率移動任務(wù),進而調(diào)整注入的零序電壓和負(fù)序電流的大小。電網(wǎng)故障時,在保證直流電容電壓平衡的同時,若要實現(xiàn)電網(wǎng)電流平衡的輔助功能,只需修改加權(quán)系數(shù)為0,即通過單一的零序電壓注入來實現(xiàn)該雙重平衡目標(biāo);反之,可以按照實際需要設(shè)置加權(quán)系數(shù),降低零序電壓的注入,提高系統(tǒng)的控制自由度。

本文僅研究電網(wǎng)單相故障下的電能路由器直流電容電壓平衡控制,沒有考慮電網(wǎng)發(fā)生兩相或三相故障的情況,后續(xù)的工作將研究多相電網(wǎng)故障下的電能路由器直流電容電壓平衡控制,從而達到更高的運行可靠性。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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