交流微電網接口變換器控制策略研究①

郭清香, 國 海, 徐 銳

(安徽科技學院機械工程學院,安徽 鳳陽233100)

0 引 言

隨著全球環(huán)境問題日益嚴重,利用新能源的發(fā)電技術與儲能技術不斷的發(fā)展,各國日益重視微電網技術。分布式電源主要有直流型分布式電源與交流型分布式電源,直流型有光伏發(fā)電、燃料電池等,交流型有風力發(fā)電、微型燃氣輪機等發(fā)電裝置,其中燃料電池的技術復雜且成本較高,光伏發(fā)電受到自然條件的限制,風力發(fā)電更是受到地理條件的限制,只能適用于地廣人稀的地方,目前,由于MTGS具有小型化、啟動速度快、穩(wěn)定性能好、輸出特性好等優(yōu)點適用于多種場合等優(yōu)點成為世界新能源動力能源的核心技術[1]。MTGS與交流母線并網的接口變換器技術一直是提高電能利用率及電能質量的關鍵,近年來多采用雙向脈沖寬度調制(PWM)變換器作為微燃機發(fā)電與交流母線的電力電子接口變換器[2],在傳統(tǒng)的微燃機并網電能變換中,一般使用的交-直-交變換方式,這種方式通過將整流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)進行組合后才能實現(xiàn)電能的變換要求,由于經過兩級變換,使電能的變換效率會降低,同時具有整流環(huán)節(jié)的功率因數比較低的缺點;矩陣變換器具有:輸入輸出特性好,輸入因數可調,能量可雙向流動,沒有中間直流電路結構緊湊等優(yōu)點,適用于交流型分布式電源的發(fā)電和并網接口。

1 基于MC的MTGS啟動過程控制策略

由于微燃機不能自行啟動,需要專用變頻電源作為啟動電源,所以要求高速永磁電機先工作在電動機模式,在MTGS達到正常狀態(tài)后進入發(fā)電模式;MTGS輸出的電能頻率高于交流母線的工頻頻率,需要經過交-直-交兩級變換后并網發(fā)電。傳統(tǒng)的MTGS并網系統(tǒng)如圖1所示:

圖1 MTGS并網系統(tǒng)

將MC作為MTGS與交流母線接口變換器的 控制策略進行研究,MTGS正常工作發(fā)電時,電能通過MC流向交流母線,MTGS啟動時需要通過MC從交流母線獲取電能驅動PMSM,MC能量雙向流動的優(yōu)勢可以得到充分應用。

MTGS的啟動過程時,交流母線為PMSM提供電能,帶動微型燃氣輪機啟動達到額定轉速后進入發(fā)電狀態(tài),此時能量由交流母線側流向微型燃氣輪機側?？刂撇呗圆捎秒p空間矢量控制,由于微型燃氣輪機內部機構比較復雜,啟動過程仿真以PMSM為控制對象,矢量控制主要是控制PMSM的定子的三相電流,合成與q軸電流大小相等的電流,控制電流的幅值可以控制轉矩,實現(xiàn)矢量控制。將三相AC-AC型MC與PMSM的矢量控制技術結合,合成轉速為外環(huán),電流為內環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型如圖2所示。工作原理:給定轉速N*與PMSM反饋速度信號進行比較,經過速度調節(jié)器得到PMSM的i*q,為了實現(xiàn)矢量控制,給定為零,將實測靜止坐標系下的電流i A,i B,i C利用式(1)進行3/2坐標變換到旋轉坐標系下電流i d,i q。

將實際電流值與給定電流值在電流調節(jié)器內進行比較,經過調節(jié)得到U d,U q,再經過park反變換得出期望的電壓值,結合交流母線側檢測的的相區(qū)及矢量角信號,進行SVPWM(Space Vector Pulse Width Modultion)調制,最后將調制信號控制矩陣變換器的開關狀態(tài)實現(xiàn)基于MC_的PMSM矢量控制,控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 基于雙空間矢量調制的MC-PMSM控制系統(tǒng)原理圖

2 基于MC的MTGS發(fā)電過程控制策略

根據雙空間矢量調制的基本原理,3-MC的調制可假想為虛擬整流與虛擬逆變兩個部分,分別進行輸出電壓矢量調制和輸入電流矢量調制,最后進行合成等效成交-交調制。微燃機側與交流母線側的電流控制涉及有功功率與無功功率的給定量,在兩側電壓恒定的情況下,即給定了有功功率和無功功率,采用兩側無功電流為零控制方式,計算輸入電流矢量角與輸出電壓矢量角,獲得的電壓的相位以及頻率作為MC交流母線側的相位和頻率的給定;同時,采樣雙側電流,通過旋轉坐標變換得到dq軸電流,與dq軸給定量比較后進行PI調節(jié),經過調節(jié)后的交流母線側d軸電流作為微燃機側的d軸電流的給定量,完成電流雙閉環(huán)控制,之后兩側dq軸電流進行Park變換,通過SVPWM調制控制矩陣變換器的開關狀態(tài),達到控制能量雙向可控傳輸的目的?；诰仃囎儞Q器的MTGS并網系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 基于MC的MTGS并網系統(tǒng)

2.1 微燃機側電流閉環(huán)控制系統(tǒng)

微燃機側連接矩陣變換器可等效為虛擬整流環(huán)節(jié),采用SVPWM控制策略,既根據拓撲結構建立數學模型,通過坐標變換,把微燃機發(fā)電系統(tǒng)的交流量變換為直流量,便于設計閉環(huán)調節(jié)器在兩相同步旋轉坐標系下通過對微燃機側電流前饋解耦,引入微燃機側電流進行交互前饋,d/q軸電流可實現(xiàn)獨立控制,并且引入微燃機發(fā)電系統(tǒng)電壓作為前饋,可以進一步提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。通過建立數學模型,推導可得到下列方程:

式中,i jwd、i jwq為矩陣變換器微燃機側d、q軸電流;i wq、i wd為微燃機發(fā)電系統(tǒng)d、q軸電流;e q、e d為微燃機發(fā)電系統(tǒng)d、q軸電壓。

在微燃機發(fā)電系統(tǒng)電流閉環(huán)控制系統(tǒng)中,對控制量i kd、i kq有以下定義:

2.2 交流母線側電流控制系統(tǒng)

矩陣變換器連接交流母線一側可以等效成為虛擬逆變環(huán)節(jié)既虛擬逆變器通過濾波器連接交流母線。根據等效電路應用基爾霍夫定律可以得到三相靜止坐標系下的方程,為了方便設計控制系統(tǒng),建立與交流母線同步的旋轉坐標系,對靜止坐標方程進行坐標變換得到dq坐標下的狀態(tài)方程,通過對交流母線電流進行前饋解耦,引入交流母線側電流交互前饋,使系統(tǒng)能快速控制交流母線側電流的相位和波形,引入交流母線側擾動電壓最為前饋補償,在動態(tài)性能上得以改善,抑制干擾,采用電流閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過建立等效模型,進行推導得出下列方程:

式中:v'md、v'mq是交流母線側電流等效控制變量,可以單獨控制d軸電流i md和q軸電流i mq,電流調節(jié)器輸出決定控制量;電流調節(jié)器的傳遞函數為是交流母線側電流d、q軸分量的給定值;u md、u mq為交流母線側電壓。

3 基于矩陣變換器的MTGS并網控制仿真分析

3.1 基于MC的MTGS發(fā)電過程仿真分析

在SIMULINK仿真軟件中建立基于矩陣變換器連接微燃機與交流網絡系統(tǒng)的主電路模型、微燃機側控制模型、交流母線側控制回路模型、SVPWM信號分配模型等,通過連接這些模型建立仿真系統(tǒng)。

微燃機發(fā)電系統(tǒng)正常工作,向交流母線側供電穩(wěn)態(tài)運行時,仿真波形如圖4(a)與圖4(b)所示,其中微燃機側電壓為500V頻率1000Hz,交流母線側電壓為380V,頻率為50 Hz,波形分別顯示了微燃機發(fā)電系統(tǒng)輸出的A相電壓U m A和電流I m A,交流母線a相電壓e a和電流I a。

圖4 微燃機發(fā)電系統(tǒng)供電時穩(wěn)態(tài)波形

在微燃機發(fā)電系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下,電流相位與電壓相位一致,電能由微燃機側流向交流母線側,微燃機發(fā)電系統(tǒng)以單位功率因數向矩陣變換器提供電能,矩陣變換器以單位功率因數向交流母線提供電能。

當交流母線向微燃機側進行能量流動時,交流母線電流相位與電壓相反,交流母線以單位功率向矩陣變換器供電,而微燃機發(fā)電系統(tǒng)電流與電壓相位差略小于Π,說明矩陣變換器不僅向微燃機側輸出有功功率,同時還提供了無功功率對微燃機發(fā)電系統(tǒng)進行無功補償,交流母線側供電時兩側穩(wěn)態(tài)波形如圖5(a)與圖5(b)所示。

圖5 交流母線側供電穩(wěn)態(tài)波形

仿真實驗證明系統(tǒng)能精準的工作在所設定功率因數下,可以成功的實現(xiàn)電能雙向流動,并且當微燃機側電壓與頻率改變時,矩陣變換器的交流母線側電壓與頻率總能穩(wěn)定在380V/50 Hz,驗證了所設計的基于矩陣變換器的微燃機發(fā)電系統(tǒng)與交流母線的連接是可行的。

為了驗證微燃機發(fā)電系統(tǒng)連接交流母線系統(tǒng)的動態(tài)性能以及所設計的電流閉環(huán)控制的調節(jié)器的有效性,設計了交流母線側的電流指令進行突變,圖6(a)中交流母線側電流指令由12A突變到24A,圖6(b)中交流母線側電流指令由24A突減到12A。

圖6 交流母線側供電交流母線穩(wěn)態(tài)波形

由仿真波形可以看出動態(tài)特性良好,電流的幅值突增突減,系統(tǒng)可以很快的再次平穩(wěn)的運行,因此可以驗證該系統(tǒng)控制策略正確動態(tài)性能較好,閉環(huán)控制器設計準確。

3.2 基于MC的MTGS啟動過程仿真分析

由于微型燃氣輪機本機模型比較復雜,不是此次重點研究內容,所以僅利用模擬微型燃氣輪機在啟動時的輸出轉矩作為PMSM的負載轉矩,交流母線由交流電源代替,基于MC的MTGS啟動過程的仿真模型如圖7所示。PMSM仿真參數如表1所示。

圖7 基于MC的MTGS啟動過程仿真模型

表1 電機主要參數

仿真結果如圖8所示,PMSM的給定轉速為3000r/min,在3μs時能夠到達額定轉速,進入到穩(wěn)定的轉速運行,可以正常啟動MTGS。實現(xiàn)了PMSM由交流母線側獲得電能,經過基于MC的空間矢量調制策略,達到啟動微型燃氣輪機的額定轉速,驗證了控制策略的有效性。

圖8 電機轉速波形圖

4 結 語

隨著微燃機發(fā)電技術在分布式能源中所占的地位逐漸提高,對微燃機發(fā)電系統(tǒng)與交流母線連接的技術要求也越來越高,微燃機發(fā)電系統(tǒng)主要分為正常運行與啟動階段兩個部分,微燃機發(fā)電系統(tǒng)與交流母線的電力電子接口要實現(xiàn)能量的雙向流動,功率因數可調等功能,與傳統(tǒng)的雙PWM變換器相比,矩陣變換器具有,結構緊湊,具有良好的輸入輸出特性,功率能雙向流動等優(yōu)點,設計了基于矩陣變換器連接微燃機發(fā)電系統(tǒng)與交流母線,通過雙空間矢量控制,進行仿真模擬,可以實現(xiàn)微燃機發(fā)電系統(tǒng)與交流母線良好的連接,可使系統(tǒng)工作在所需的功率因數下,成功實現(xiàn)功率的雙向流動,并且在指定電流進行突變時,系統(tǒng)可以很快的再次工作在穩(wěn)定狀態(tài)下,動態(tài)特性良好。

此次研究為矩陣變換器應用與微燃機發(fā)電系統(tǒng)應用于微電網并網提供了一些參考,但還未進行樣機及軟件設計進行驗證。