直流發(fā)電機(jī)的控制策略

趙小平

(神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 神木 719300)

在直流微網(wǎng)中，太陽(yáng)能光伏Boost變換器并不具備發(fā)電機(jī)慣性與阻尼，而且負(fù)載功率發(fā)生驟變時(shí)還會(huì)影響直流母線電壓的穩(wěn)定性。若母線電壓出現(xiàn)擾動(dòng)，那么保障負(fù)荷側(cè)電壓穩(wěn)定、母線電壓恢復(fù)、降低電壓跌落沖擊便成為了直流微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。作為母線、負(fù)荷、微電源銜接的關(guān)鍵電力電子設(shè)備，DC/DC變換器可轉(zhuǎn)變母線電壓或者微電源電壓為負(fù)荷或者直流母線可接受電壓等級(jí)。為保障直流微網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性，有學(xué)者提出了以電壓下垂控制與MPPT控制為載體的光伏接口單元控制與抑制母線電壓波動(dòng)的功率前饋控制相關(guān)策略，可確保母線電壓穩(wěn)定性，卻無(wú)法控制小范圍直流母線電壓的波動(dòng)與突變。當(dāng)前基于直流母線的變流器控制策略依舊缺少一定的柔韌性與自動(dòng)分擔(dān)功率效用，所以進(jìn)一步研究具備魯棒性的DC/DC變換器控制模型具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。據(jù)此，本文提出了虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略，即基于模擬直流發(fā)電機(jī)特性的DC/DC變換器控制策略。

1 直流發(fā)電機(jī)工作原理

基于直流發(fā)電機(jī)原理[2]可以得知：

Ee=Fgφυ

(1)

式中，Ee為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；Fg為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；φ為磁通；υ為轉(zhuǎn)速。

若發(fā)電機(jī)輸出電壓以R0表示，內(nèi)阻以f表示，輸出電流以Io表示，負(fù)載阻抗以UL表示，那么直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行電路如圖1所示。

圖1 直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行電路

由圖可知，直流發(fā)電機(jī)輸出電流具體表示為：

(2)

基于式(2)可知，輸出電流直接受發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻、負(fù)載阻抗影響。就發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)而言，內(nèi)阻屬于既定值，負(fù)載阻抗則以供電系統(tǒng)工況不同而阻值相對(duì)不同，因此為了有效控制輸出電流，需適度調(diào)整感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電動(dòng)勢(shì)、磁通、轉(zhuǎn)速息息相關(guān)，電動(dòng)勢(shì)屬于常數(shù)，因此通常以調(diào)節(jié)磁通或轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)調(diào)整。

磁通與勵(lì)磁電流之間關(guān)系[3]具體表示為：

φ=HaIa

(3)

式中，Ia為勵(lì)磁電流；Ha為比例常數(shù)。

將式(3)代入式(1)則得出：

Ee=FgHaIaυ

(4)

將式(4)代入式(2)則得出：

(5)

由上述公式得知，直流發(fā)電機(jī)的輸出電流與發(fā)電機(jī)參數(shù)(電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻等)密切關(guān)聯(lián)，且直接受勵(lì)磁電流、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出電壓影響?；谵D(zhuǎn)速與輸出電壓既定時(shí)，可以適度改變勵(lì)磁電流的方式，進(jìn)行輸出電流調(diào)整。

2 直流發(fā)電機(jī)慣性特性分析

直流發(fā)電機(jī)負(fù)荷為電阻，那么輸入輸出回路[4]如圖2所示，其中Wn為機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Ee為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；Fa為總電阻；Io為輸出電流；Ro為輸出電壓；UL為負(fù)載阻抗。

圖2 輸入輸出回路

直流微網(wǎng)內(nèi)，

(6)

式中，We為電磁轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；P為阻尼系數(shù)；υ為角速度；υ0為角速度初始值。

基于式(6)，在直流發(fā)電機(jī)機(jī)械功率驟然改變時(shí)，受轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與阻尼系數(shù)影響，發(fā)電機(jī)角速度逐步變化，此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與輸出功率則呈現(xiàn)為平穩(wěn)變化狀態(tài)。

在直流發(fā)電機(jī)輸入功率突發(fā)性升高時(shí)，輸入機(jī)械功率與輸出電磁功率的變化如圖3所示，Qc為輸入機(jī)械功率；Qd為輸出電磁功率。

圖3 輸入機(jī)械功率與輸出電磁功率變化

由圖3可知，直流發(fā)電機(jī)輸入功率階躍迅速升高時(shí)，輸出功率并未隨之呈現(xiàn)相同變化趨勢(shì)，而是通過(guò)慣性緩緩升高，其為直流發(fā)電機(jī)的一大主要優(yōu)勢(shì)。

3 直流發(fā)電機(jī)控制策略

本文選用了當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛且先進(jìn)的虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略，即以既定控制策略，對(duì)變換器輸入輸出加以控制，促使其具備直流發(fā)電機(jī)特性。此控制策略數(shù)學(xué)模型則是基于發(fā)電機(jī)機(jī)械與電磁方程得以構(gòu)建的。虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略模型主要包含3大模塊。

3.1 直流發(fā)電機(jī)模塊分析

直流發(fā)電機(jī)模塊結(jié)構(gòu)[5]如圖4所示。

圖4 直流發(fā)電機(jī)模塊結(jié)構(gòu)示意

3.2 直流電壓調(diào)節(jié)模塊分析

此模塊不可利用母線電壓，主要是由于直流微網(wǎng)以分層加以控制，母線電壓變化比較明顯。所以以Boost變換器中間電壓為載體，其模塊結(jié)構(gòu)[6]如圖5所示。

圖5 直流電壓調(diào)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)

3.3 電流跟蹤控制模塊分析

電流跟蹤模塊結(jié)構(gòu)因微電源不同類型而存在差異，即如果太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)輸出電流與參考值在PI調(diào)節(jié)之后為O，則電壓源類型模塊占空比則為O，電流源類型模塊占空比為1-O。通過(guò)仿真分析得出電流跟蹤模塊結(jié)構(gòu)[7]如圖6所示。

圖6 直流跟蹤控制模塊結(jié)構(gòu)示意

太陽(yáng)能光伏電池屬于受端電壓直接影響的電流源，所以本文設(shè)計(jì)的虛擬發(fā)電機(jī)電流跟蹤模塊選擇電流源類型模型結(jié)構(gòu)。

4 仿真分析

以Pscad/Emtdc仿真對(duì)控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析[8]。在初始運(yùn)行時(shí)，直流母線電壓穩(wěn)定運(yùn)行在額定狀態(tài)，即400 V，1 s之后母線受擾動(dòng)發(fā)生了短時(shí)間電壓驟降?；跀_動(dòng)的母線電壓與電樞端電壓如圖7所示。

圖7 基于擾動(dòng)影響的母線電壓與電樞端電壓

由圖7可以看出，受擾動(dòng)影響，直流發(fā)電機(jī)母線電壓較低的狀態(tài)下，直流變換器的虛擬電樞電動(dòng)勢(shì)隨著母線變化相對(duì)變化，以此縮減面向母線的功率取用，從而助于母線電壓快速恢復(fù)。

于相同工況下，基于PI控制與虛擬直流發(fā)電機(jī)控制加強(qiáng)Boost電路控制。初始運(yùn)行時(shí)，母線電壓于400 V平穩(wěn)運(yùn)行1 s時(shí)，系統(tǒng)持續(xù)添加負(fù)荷，以造成直流母線電壓實(shí)時(shí)變化。仿真參數(shù)設(shè)置具體為：串聯(lián)電感1.1 mH，輸出濾波電容3.4 mF，負(fù)荷100 Ω，2組50 Ω并聯(lián)運(yùn)行，時(shí)間控制在2 s，步長(zhǎng)250 μs，初始時(shí)為一組負(fù)荷供電，1 s時(shí)為2組負(fù)荷并聯(lián)供電。

基于PI控制的Boost變換器的母線電壓與負(fù)荷電流具體如圖8所示。

圖8 基于PI控制的微網(wǎng)母線電壓與負(fù)荷側(cè)電壓

由圖8可知，在負(fù)荷功率實(shí)時(shí)變化時(shí)，在擾動(dòng)影響作用下，母線電壓于PI控制則會(huì)生成回復(fù)趨勢(shì)，最終于397 V穩(wěn)定，且只出現(xiàn)小范圍電壓波動(dòng)，而負(fù)荷側(cè)電壓于450 V穩(wěn)定，PI控制法盡管可保持負(fù)荷側(cè)電壓均衡，但是電壓變化依舊非常突兀且明顯。

基于虛擬直流發(fā)電機(jī)控制的Boost變換器的母線電壓與負(fù)荷電流如圖9所示。

圖9 微網(wǎng)母線電壓與負(fù)荷側(cè)電壓

由圖9可知，在母線電壓突然下降時(shí)，Boost變換器于虛擬直流發(fā)電機(jī)控制，會(huì)適度降低對(duì)于母線電壓功率的獲取，所以也可保持母線電壓處于397 V穩(wěn)定狀態(tài)。而與PI控制相比，其還添加了慣性環(huán)節(jié)，在電壓恢復(fù)時(shí)會(huì)基于適度緩解震蕩，避免對(duì)母線其他設(shè)備造成巨大沖擊，而負(fù)荷側(cè)電壓也會(huì)通過(guò)震蕩恢復(fù)為原始狀態(tài)。所以，相對(duì)于PI控制，虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略超調(diào)性與可行性更為突出，值得大力推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

綜上所述，在直流微網(wǎng)中母線電壓擾動(dòng)時(shí)，需以直流變換器保障負(fù)荷側(cè)電壓不受干擾，并恢復(fù)母線電壓，降低電壓跌落造成的沖擊。據(jù)此，本文提出了虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略，其屬于具備魯棒性與柔韌性的直流變換器控制方案，可緩解負(fù)荷變化造成的母線電壓波動(dòng)，還可逐步恢復(fù)電壓于額定值。同時(shí)，通過(guò)仿真分析表明，虛擬直流發(fā)電機(jī)控制策略超調(diào)性與可行性非常突出，值得大力推廣應(yīng)用。