負荷虛擬同步機及其低電壓故障穿越控制

胡文強, 吳在軍, 竇曉波, 胡敏強

(東南大學電氣工程學院, 江蘇省南京市 210096)

0 引言

隨著分布式電源和整流型負載的大量分散接入,電力系統(tǒng)中電力電子設備所占比重越來越大,導致系統(tǒng)整體阻尼與慣量水平下降,給系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行帶來了不可忽視的影響。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的電源(同步發(fā)電機)和負荷(同步電動機)都能自主參與系統(tǒng)的運行和管理,并在系統(tǒng)頻率/電壓、有功/無功異常情況下做出響應。這主要得益于源、網(wǎng)、荷具有同步的頻率,在電源、電網(wǎng)或負荷出現(xiàn)擾動時,依靠三者之間的同步機制實現(xiàn)耦合,以抵御外部擾動對系統(tǒng)的干擾。如果使分布式電源和負荷分別模擬同步發(fā)電機和同步電動機的特性,自然可以實現(xiàn)“源—網(wǎng)—荷”自治運行和主動管理[1]?；谶@種思路,有學者提出虛擬同步發(fā)電機(virtual synchronous generator,VSG)[2-5]的概念,使基于逆變器并網(wǎng)的分布式發(fā)電系統(tǒng)模仿傳統(tǒng)同步發(fā)電機的輸出特性,為電力系統(tǒng)提供虛擬慣性與阻尼支撐。目前VSG的研究主要集中于建模分析[6-7]、參數(shù)整定[8-9]等理論分析,以及探討在光伏電站[10]、交直流微電網(wǎng)[11-12]、高壓直流輸電[13]等多種場景的應用。

相比于VSG的研究,負荷虛擬同步機(load virtual synchronous machine,LVSM)的研究尚處于起步階段。文獻[14]首次提出模擬同步電動機特性的三相脈寬調(diào)制(PWM)整流器,可運行于定功率與定直流電壓兩種模式,并能夠實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行,具有較好的電能質量。文獻[15-17]將LVSM應用于電動汽車(electric vehicle, EV)充電,不但能夠滿足用戶充電需求,還可參與電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)壓服務,并提高快充接口的慣性和阻尼,起到了EV和電網(wǎng)之間的柔性緩沖作用。已有研究結果表明,LVSM是一種可以實現(xiàn)“源—網(wǎng)—荷”自治運行和主動管理的電網(wǎng)友好型負荷并網(wǎng)接口,該方面的研究與應用是實現(xiàn)下一代智能電網(wǎng)——自主電力系統(tǒng)(autonomous power systems,APS)的重要環(huán)節(jié)[18]。

當前,在VSG與LVSM低電壓穿越控制方面的研究主要集中于VSG。文獻[19]在故障期間將VSG控制切換為PQ控制,利用二階廣義積分器(second-order generalized integrator,SOGI)計算故障期間各相瞬時功率,對各相功率獨立控制實現(xiàn)不平衡故障期間平衡電流輸出,但不適用于系統(tǒng)三相短路故障。文獻[20]提出故障時VSG控制策略平滑切換至給定電流控制的方法,實現(xiàn)對稱、不對稱故障穿越,但VSG在故障期間喪失了持續(xù)提供慣性支撐的能力。文獻[21]通過增設虛擬電阻與相量限流相結合的方法,分別限制故障期間VSG的穩(wěn)態(tài)故障電流與暫態(tài)沖擊電流,但僅適用于電網(wǎng)對稱故障。該方法在故障期間凍結無功調(diào)節(jié)器,無法明確故障期間VSG輸出無功功率的大小。文獻[22]將VSG運用于雙饋感應發(fā)電機(doubly-fed induction generator,DFIG)變頻器控制,提出DFIG轉子電壓控制暫態(tài)分量補償法,可顯著抑制故障期間DFIG轉子過電流與電磁轉矩暫態(tài)沖擊,并對系統(tǒng)進行無功支撐,但僅適用于系統(tǒng)輕度對稱故障。

本文首先提出適用于多種整流型負荷的LVSM統(tǒng)一拓撲及其基本控制策略?；究刂撇呗阅M同步電機的轉子慣性、勵磁慣性及定子電氣特性,同時具備主動參與電網(wǎng)調(diào)壓調(diào)頻需求響應的功能。在此基礎上提出一種適應電網(wǎng)對稱及不對稱故障的低電壓穿越控制方法,使LVSM在電網(wǎng)故障的短時間內(nèi)不脫網(wǎng)運行并最大限度地向電網(wǎng)提供無功支撐與慣性支撐。最后,通過硬件在環(huán)(hardware in loop,HIL)實驗驗證了該低電壓穿越控制方法的有效性。

1 LVSM的統(tǒng)一拓撲和基本控制策略

1.1 LVSM的統(tǒng)一拓撲

LVSM主電路拓撲結構如圖1所示,由LC濾波電路(L1和C1),三相全橋雙向DC/AC變流器(Q1至Q6),直流母線電容(Cdc)以及直流負荷接口組成。直流負荷接口主電路本質上是雙向DC/DC變流器,用以穩(wěn)定負荷端直流電壓?？紤]到現(xiàn)實中負荷大多為直流負荷,如個人電腦、LED照明、變頻空調(diào)、EV等,本文將負荷接于LVSM的直流側。LVSM統(tǒng)一拓撲與直流微電網(wǎng)在結構上具有一定的相似性。二者的不同之處在于,LVSM相比直流微電網(wǎng)在規(guī)模上小很多,前者僅包含負荷(和儲能);后者還包括分布式電源,結構更復雜，可稱為網(wǎng)絡。

另外,LVSM直流側不如直流微電網(wǎng)的直流母線結構復雜,前者為單母線結構、單電壓等級,后者的直流母線一般為雙極性三線制,可能包含多個電壓等級。

圖1中直流負荷分為兩類,一類是含儲能型負荷,如EV;另一類是非儲能型負荷,如照明類負載、電機類負載等。對于非儲能型負荷,欲使其具備主動參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓服務以及低電壓穿越功能且不影響用戶體驗,需配備一定容量的儲能。

圖1 LVSM的統(tǒng)一拓撲Fig.1 Unified topology of LVSM

1.2 LVSM的基本控制策略

LVSM中DC/AC變流器控制策略如圖2所示,其中SVPWM表示空間矢量脈寬調(diào)制。

圖2 LVSM的基本控制策略Fig.2 Basic control strategy of LVSM

圖2中紅色方框部分模擬同步電動機轉子慣性與阻尼特性,由同步電機二階數(shù)學模型轉化而來，具體如下。

(1)

式中:Pm為有功功率參考值;Pe為LVSM實際吸收的有功功率;δ為LVSM的功角;ωn為額定角頻率;Δω為LVSM角頻率相對于ωn的偏差;J為轉動慣量;D為阻尼系數(shù)。

圖2中藍色方框部分模擬同步電機勵磁調(diào)節(jié)慣性,主要由一個積分環(huán)節(jié)(見式(2))構成,確保無功功率無差控制。

(2)

式中:Qm為無功功率參考值;Qe為LVSM實際吸收的無功功率;Un為額定電壓有效值;E為虛擬內(nèi)電勢;ΔE為E相對于Un的偏差;K為無功功率積分系數(shù),使無功功率具備合適的響應速度。Pe和Qe可通過瞬時功率理論計算。

為降低三相電壓不對稱時瞬時功率2倍工頻脈動量的影響,取其半工頻周期的平均值為:

(3)

Qe=

(4)

式中:Tline為工頻周期;ua,ub,uc為并網(wǎng)點電壓(也即濾波電容電壓);ia,ib,ic為濾波電感電流。

如圖2所示,LVSM控制策略包含下垂控制環(huán)節(jié)(見式(5)),使LVSM能夠自動響應電網(wǎng)頻率/電壓的變化：調(diào)整有功/無功功率參考值,參與電網(wǎng)調(diào)壓調(diào)頻。變低頻/低壓切負荷為降負荷,降低機組備用容量,減少瞬時有功功率缺額和無功補償設備投資。

(5)

式中:ωg為電網(wǎng)角頻率;Ug為電網(wǎng)電壓有效值;Pset為負荷額定有功功率;Qset為負荷額定無功功率;Kf為頻率調(diào)節(jié)系數(shù);Kv為電壓調(diào)節(jié)系數(shù)。本文在下垂環(huán)節(jié)中加入飽和限幅環(huán)節(jié),以防LVSM功率超過開關器件自身允許容量。

(6)

式中:rv為虛擬電阻;Lv為虛擬電感。

虛擬阻抗控制模擬同步機定子電氣特性,同時增大LVSM的輸出阻抗,有利于抑制多機并聯(lián)可能存在的環(huán)流問題[16]。由于LVSM的有功和無功控制中均存在積分環(huán)節(jié),可實現(xiàn)并網(wǎng)功率與設定值相同,所以式(6)中的虛擬阻抗參數(shù)選擇并不依賴于精確的電路參數(shù)[23]。通過設置ωnLv?rv有助于有功/無功功率的解耦控制[9]。udq由式(7)計算得到。

udq=[ud,uq]T=Cabc/dq[ua,ub,uc]T

(7)

Cabc/dq=

(8)

式中:θ為并網(wǎng)點電壓相位。

考慮到基于SOGI的鎖相環(huán)(SOGI-PLL)具有良好的抗諧波干擾能力,本文對并網(wǎng)點a相電壓ua進行SOGI-PLL運算,獲取電網(wǎng)電壓相位θ,確保電網(wǎng)電壓同步旋轉參考系的d軸跟隨電網(wǎng)電壓a相分量。

此外,引入基于比例—積分(PI)控制器的dq坐標系解耦控制單電流環(huán),用于提高LVSM的響應速度與交流側電能質量。通過上述拓撲結構與控制策略,不僅使LVSM在運行外特性上與同步電機等效,同時具備主動參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓的能力。

1.3 直流負荷接口控制策略

2 LVSM低電壓穿越控制方法

目前尚未有負荷低電壓穿越的相關標準,本文參照GB/T 19964—2012《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》中對光伏并網(wǎng)逆變器低電壓穿越的要求(如附錄A圖A2所示),對LVSM的低電壓穿越功能進行設計。參照發(fā)電設備的低電壓穿越技術要求進行設計,是為了充分利用LVSM中的儲能設備及控制裕度,使負荷的低電壓穿越功能更有價值。與基本LVSM控制策略相比,具備低電壓穿越能力的LVSM需增加以下環(huán)節(jié):①改進型虛擬阻抗控制;②低電壓穿越檢測;③功率指令變更策略;④故障期間使能的負序電流抑制;⑤故障期間電流環(huán)輸入限幅。

2.1 改進型虛擬阻抗控制

為避免不對稱故障下并網(wǎng)點電壓不平衡使虛擬阻抗控制生成的電流環(huán)參考值中存在負序分量,本文對并網(wǎng)點電壓進行正序分量提取。將并網(wǎng)點電壓uabc=[ua,ub,uc]T經(jīng)Clarke變換及正序Park變換從三相靜止abc坐標系轉換至正序旋轉dq坐標系(本文中符號下標含“+”的均表示對應正序分量):

(9)

其中Cabc/αβ為Clarke變換:

(10)

Cαβ/dq+為正序Park變換:

(11)

(12)

(13)

用udq+代替1.2節(jié)虛擬阻抗控制中的udq,即可消除電網(wǎng)不平衡故障或電壓諧波對電流環(huán)參考值的影響,控制框圖如圖3所示。同理亦可得到并網(wǎng)點電壓負序分量udq-=[ud-,uq-]T。

圖3 基于電網(wǎng)電壓正序分量提取的虛擬阻抗控制圖Fig.3 Diagram of virtual impedance control based on positive sequence component extraction of grid voltage

2.2 低電壓穿越檢測

(14)

2.3 功率指令變更策略

(15)

(16)

式中:Smax為LVSM最大允許容量。

此外,低電壓穿越模式還需閉鎖下垂控制部分。功率指令變更示意圖如圖4所示,其中開關SW1,SW2,SW3受SLVRT,on控制。若SLVRT,on值為0,開關SW1,SW2,SW3均置于位置0,功率指令與下垂控制工作在正常模式。若SLVRT,on值為1,開關SW1,SW2,SW3均置于位置1,完成功率指令變更與下垂控制閉鎖。

圖4 低電壓穿越模式功率指令變更示意圖Fig.4 Diagram of power setting value change in low voltage ride-through mode

2.4 故障期間使能的負序電流抑制

idq+=[id+,iq+]T=Cαβ/dq+Cabc/αβ[ia,ib,ic]T

(17)

idq-=[id-,iq-]T=Cαβ/dq-Cabc/αβ[ia,ib,ic]T

(18)

圖5 正負序解耦雙電流環(huán)控制框圖Fig.5 Block diagram of double current loop control with positive and negative sequence decoupling

圖5中Cdq+/αβ和Cdq-/αβ分別為正、負序反Park變換,且有如下關系:

(19)

(20)

通過正、負序反Park變換,將調(diào)制電壓信號umod從dq坐標系轉換至兩相靜止αβ坐標系。在αβ坐標系下可將正負序調(diào)制電壓直接通過加法合成。

2.5 故障期間電流環(huán)輸入限幅

考慮到LVSM具備一定的慣性,功率給定值變更后需要一定的響應時間(約幾百毫秒)。為避免在功率慣性響應階段輸出電流超過Imax,在LVSM電流環(huán)輸入處增加限幅環(huán)節(jié)。本文將電流幅值限制在0.8Imax。同時考慮到低電壓穿越階段LVSM提供無功功率支撐更為重要,因此電流環(huán)限幅環(huán)節(jié)設計如下:

(21)

LVSM低電壓穿越控制流程圖如圖6所示。

圖6 LVSM低電壓穿越控制流程圖Fig.6 Flow chart of low voltage ride-through control of LVSM

如圖6所示，在SLVRT,on值為1且SLVRT,off值為0的情況下,LVSM處于低電壓穿越模式。在SLVRT,on值為0且SLVRT,off值為1的情況下,LVSM處于正常運行模式。值得說明的是,電網(wǎng)故障期間直流側雙向DC/DC變流器的控制策略不變,維持直流負荷端電壓穩(wěn)定;交流側LVSM控制進入低電壓穿越模式,控制并網(wǎng)功率，限制并網(wǎng)電流。直流側與交流側控制并行執(zhí)行,避免了復雜的模式切換。

3 實驗分析

本文利用型號為OP5600的RT-LAB目標機進行HIL實驗。HIL實驗系統(tǒng)如附錄B圖B1所示。系統(tǒng)由上位機、目標機以及數(shù)字控制器組成。其中上位機通過MATLAB/Simulink搭建LVSM并網(wǎng)主電路,如附錄B圖B2所示,由蓄電池儲能單元、雙向DC/DC變流器、電阻性等效負載Rload、雙向DC/AC變流器、LC濾波電路、變壓器(Dyn)與模擬電網(wǎng)(無窮大電源與系統(tǒng)阻抗)組成。OPAL-RT軟件對主電路Simulink模型編譯生成C代碼,通過基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)交換機下載到RT-LAB目標機中。目標機采用Redhat操作系統(tǒng),多核分布式并行計算以實現(xiàn)對控制對象的精確實時模擬。目標機輸出模擬信號反映LVSM實時運行狀況,同時接收來自DSP控制器的PWM脈沖信號以控制變流器的工作。目標機通過FPGA OP5142模擬/數(shù)字IO板卡實現(xiàn)與外部控制器的無縫連接。外部數(shù)字控制器采用型號為TMS320F28335的DSP,采集來自目標機的模擬信號,運行LVSM控制算法并產(chǎn)生PWM驅動信號。主電路與控制器參數(shù)如附錄B表B1所示。

3.1 電網(wǎng)對稱故障下的實驗結果

設置在附錄B圖B2所示位置發(fā)生三相接地短路,導致并網(wǎng)點處各相電壓均跌至0.2(標幺值),如附錄B圖B3所示。實驗結果如附錄B圖B4和圖B5所示。

由附錄B圖B4可知,當電網(wǎng)發(fā)生三相對稱接地故障時,LVSM吸收有功功率Pe為0,并向電網(wǎng)發(fā)出一定的無功功率Qe(穩(wěn)態(tài)值約為-4.6 kvar,負號表示發(fā)出無功功率),與LVSM低電壓穿越模式中變更后的功率指令一致。由于本文低電壓穿越方法在故障期間仍舊保持慣性功率控制,即使故障切除后LVSM與系統(tǒng)功角差突然增大,LVSM能夠依靠自身慣性經(jīng)過平滑的功角振蕩過程后到達新的穩(wěn)定平衡點。這與同步發(fā)電機在故障切除后產(chǎn)生的功角振蕩現(xiàn)象相似,克服了傳統(tǒng)低電壓穿越方法在故障結束后對系統(tǒng)產(chǎn)生較大的功率沖擊的缺點。

此外,由附錄B圖B4可知,交流側a相電流瞬時值ia未超過絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)最大(連續(xù))電流Imax,可滿足電網(wǎng)故障期間LVSM持續(xù)運行不脫網(wǎng)的要求。直流側電壓Udc維持在600 V,無明顯波動,能夠保證直流負荷的穩(wěn)定運行。

由附錄B圖B5可知,在故障期間交流側三相電流保持平衡,電流幅值均被限制在0.8Imax以內(nèi),與電流環(huán)限幅環(huán)節(jié)所期望的效果一致。但由于LVSM控制策略本身有功、無功功率響應具有一定慣性,因此在故障期間LVSM交流側電流先經(jīng)過一段慣性過渡過程,再穩(wěn)定在電流幅值0.5Imax。另由附錄B圖B5可知,LVSM可耐受的故障時間大于1 s,滿足GB/T 19964—2012規(guī)定的低電壓穿越要求。

3.2 電網(wǎng)不對稱故障下的實驗結果

設置在附錄B圖B2所示位置發(fā)生a相接地短路,由于故障點與并網(wǎng)點之間經(jīng)過Dyn連接的三相變壓器,導致并網(wǎng)點處電壓跌至ua=ub=0.58(標幺值),uc=0.96(標幺值),如附錄B圖B6所示。

由附錄B圖B7可知,交流側a相電流瞬時值ia未超過IGBT最大(連續(xù))電流Imax,可保證電網(wǎng)故障期間LVSM不脫網(wǎng)運行。直流側電壓Udc維持在600 V,故障期間電壓波動小于±10 V,波動率小于2%,可保證直流側負荷的穩(wěn)定運行。

由附錄B圖B8可知,在電網(wǎng)不對稱故障期間LVSM交流側三相電流仍保持平衡,且電流幅值均被限制在0.8Imax以內(nèi),可耐受的故障時間大于2 s,滿足GB/T 19964—2012規(guī)定的低電壓穿越要求。

4 結語

本文首先提出LVSM的統(tǒng)一拓撲及基本控制策略。在LVSM基本控制策略的基礎上,參照光伏電站低電壓穿越要求,提出適應電網(wǎng)對稱與不對稱故障的低電壓穿越控制方法,可以實現(xiàn)以下幾點目標。

1)在電網(wǎng)故障期間,充分利用LVSM開關器件額定電流容量,向電網(wǎng)提供盡可能多的無功支撐。無功功率大小根據(jù)電壓跌落程度決定。

2)在故障期間持續(xù)向電網(wǎng)提供慣性功率支撐,故障結束后具備與同步機類似的慣性搖擺過程,可減輕對故障后電網(wǎng)的暫態(tài)沖擊。

3)在電網(wǎng)故障期間,LVSM交流側電流不超過開關器件最大(連續(xù))電流,同時保持負荷端直流電壓穩(wěn)定,具備不脫網(wǎng)能力。適應系統(tǒng)對稱與不對稱故障,不對稱故障時仍可保證交流側電流平衡。故障耐受時間滿足GB/T 19964—2012規(guī)定的低電壓穿越要求。

在下一步的研究中,需進行故障后慣性與阻尼系數(shù)自適應調(diào)節(jié)研究,以縮短故障后LVSM與系統(tǒng)間的慣性過程時間;并結合現(xiàn)有直流負荷(如EV充電樁)控制策略對低電壓穿越控制模式進行完善。

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

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胡文強(1992—),男,通信作者,博士研究生,主要研究方向:分布式發(fā)電與微網(wǎng)、多功能變流器。E-mail： wqhu1992@163.com

吳在軍(1975—),男,博士,教授,主要研究方向:分布式發(fā)電與微網(wǎng)、變電站自動化、電能質量分析與控制。E-mail: zjwu@seu.edu.cn

竇曉波(1979—),男,博士,教授,主要研究方向:有源配電網(wǎng)優(yōu)化運行、分布式電源(儲能)變流器控制等。E-mail: dxb_2001@sina.com