固態(tài)變壓器改進(jìn)并聯(lián)運(yùn)行控制策略研究

姚福明，嚴(yán)晶鋮，白 維，王翰文，曾成碧

(1.國家能源集團(tuán)國能大渡河新能源投資有限公司, 成都 610041；2.四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 成都 610065；3.四川革什扎水電開發(fā)有限責(zé)任公司, 四川 甘孜 626300)

0 引言

固態(tài)變壓器(solid state transformer，SST)是通過電力電子技術(shù)及高頻變壓器實(shí)現(xiàn)能量傳遞和電力變換的新型設(shè)備。SST不僅具有傳統(tǒng)變壓器的基本功能，還可實(shí)現(xiàn)交流側(cè)無功功率補(bǔ)償、高次諧波抑制、端口雙向潮流控制等功能[1]，在可再生能源接入發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用方面具有廣闊前景。

SST并聯(lián)運(yùn)行可以提高輸出電能的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。固態(tài)變壓器并聯(lián)運(yùn)行的控制策略主要有主從控制和下垂控制[2]。在解決環(huán)流過大和功率分配不均等問題時，下垂控制具有較大優(yōu)勢。但當(dāng)系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行模式時，因為各個輸電線路可能存在不同值的線路阻抗，傳統(tǒng)的下垂控制方法會導(dǎo)致功率不能均分，進(jìn)而在各臺變壓器之間出現(xiàn)較大環(huán)流，破壞系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，在對SST的控制策略進(jìn)行優(yōu)化時，不僅要考慮端口所在系統(tǒng)的功率平衡需求，還要考慮SST自身的線路阻抗是否匹配，在保證系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行。

蘭征等[3]重點(diǎn)研究了SST并聯(lián)運(yùn)行時的下垂控制原理，提出了一種自適應(yīng)的控制策略，在功率均分和環(huán)流抑制方面具有較好效果，并獲得了較好的動態(tài)性能。付國宏等[4]提出了一種關(guān)于有功與無功的二次函數(shù)，并成功將其應(yīng)用于下垂控制環(huán)節(jié)。該方法首先計算各SST的額定容量占總?cè)萘康谋壤?，然后按比例進(jìn)行功率分配，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)下垂系數(shù)，使得SST按比例分配負(fù)荷，減小線路阻抗不匹配造成的環(huán)流與功率誤差。但該方法在投切負(fù)荷時波動大，存在較大隱患。涂春鳴等[5]研究了基于SST的微網(wǎng)相間潮流控制方法，對下垂控制環(huán)節(jié)進(jìn)行參數(shù)修正，能有效調(diào)整微網(wǎng)內(nèi)的功率交換，實(shí)時減小電壓和頻率偏差。但該方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬件實(shí)現(xiàn)困難，且費(fèi)用較高。張國榮等[6]和石賽美等[7]分析了環(huán)流產(chǎn)生原因，在電壓和電流雙閉環(huán)控制中加入虛擬阻抗參數(shù)來抑制環(huán)流，減小無功均分誤差，但該方法忽略了虛擬阻抗過大會造成較大電壓降的問題，且沒有增加電壓補(bǔ)償，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

SST并聯(lián)運(yùn)行控制存在設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜、改善效果不明顯或耗費(fèi)大等問題，為此，提出一種自適應(yīng)虛擬阻抗的控制策略，將固態(tài)變壓器在并聯(lián)運(yùn)行時低壓輸出級輸出的初始功率與標(biāo)準(zhǔn)功率進(jìn)行比較判斷，自適應(yīng)地調(diào)整各并聯(lián)固態(tài)變壓器的虛擬阻抗值，以達(dá)到有功與無功的快速有效均分、降低SST間環(huán)流的目的。同時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和動態(tài)性，在下垂控制中增加頻率和電壓自適應(yīng)補(bǔ)償2個環(huán)節(jié)。通過仿真和實(shí)物平臺驗證改進(jìn)措施的有效性。

1 SST并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)分析

SST類型可分為兩類:AC/AC型和AC/DC/AC型SST。AC/AC型結(jié)構(gòu)相對簡單，耗材較低，具有高(中)頻變壓器一、二次側(cè)間同步調(diào)制、解調(diào)等功能，但存在可控性差、一次側(cè)功率因數(shù)難以整定等缺點(diǎn)，對新能源發(fā)電輸出的電能質(zhì)量提升較小。而AC/DC/AC型含有直流環(huán)節(jié)，電網(wǎng)輸入的AC電壓經(jīng)過SST的一次側(cè)整流、逆變環(huán)節(jié)輸出為高頻方波，通過SST磁耦合至二次側(cè)，再經(jīng)二次側(cè)AC/DC/AC輸出AC電壓。相對AC/AC型SST，AC/DC/AC型SST構(gòu)成原件較多，不僅具有AC/AC型SST的功能，還能高效調(diào)節(jié)兩側(cè)電壓、電流和輸出功率[8-9]。在孤島運(yùn)行時，AC/DC/AC固態(tài)變壓器的應(yīng)用較為廣泛，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。2臺SST并聯(lián)運(yùn)行圖見圖2。

圖1 AC/DC/AC固態(tài)變壓器結(jié)構(gòu)

圖2 2臺SST并聯(lián)運(yùn)行圖

圖3 等效電路

在簡單系統(tǒng)中，可通過對控制參數(shù)及LC濾波器的合理設(shè)計使得內(nèi)電勢至負(fù)載處的等效線路呈感性，即若Xi>>Ri且相角差很小，則可將Ri看作是0[10]。因此得出簡化的功率輸出表達(dá)式為：

(1)

(2)

其中：i=1、2，為并聯(lián)之路的任意支路。

由式(1)可以看出，各SST輸出的有功功率Pi取決于其輸出電壓與負(fù)載電壓的相角差。由于角速度是相角差值與時間微分所得，且角速度等于頻率乘以2π，故輸出電壓與負(fù)載電壓不變的情況下，可通過有功功率P控制頻率。在式(2)中，無功功率Qi由輸出電壓與負(fù)載電壓決定。因此，可再生發(fā)電系統(tǒng)呈感性時，SST采用的P-f、Q-V下垂控制方程為[11]：

fi=fN-mi(Pi-Pn)

(3)

Ui=UN-ni(Qi-Qn)

(4)

其中：mi、ni為下垂系數(shù)；UN、fN分別為空載時各SST輸出電壓值和頻率值；Pn，Qn分別為有功和無功功率的額定值。

2 SST的功率分配與環(huán)流

2.1 功率分配

將式(4)代入式(2)中得到SST無功輸出的另一個表達(dá)式：

(5)

由式(5)可得SST無功輸出與負(fù)載電壓、空載SST輸出電壓、線路阻抗的關(guān)系，進(jìn)而得到各SST的無功輸出偏差為：

(6)

當(dāng)下垂系數(shù)不變時可化簡為:

(7)

由式(7)可知，各SST之間的無功偏差在負(fù)載電壓、空載SST輸出電壓和下垂系數(shù)不變的情況下由等效輸出阻抗決定。使用傳統(tǒng)控制策略時，會因為等效輸出阻抗的不匹配而直接導(dǎo)致SST輸出的無功功率偏差過大，此時會對系統(tǒng)正常運(yùn)行造成嚴(yán)重影響[12]。

2.2 環(huán)流的產(chǎn)生

在系統(tǒng)為感性的情況下，由圖3可得流過線路阻抗的電流為：

(8)

(9)

由式(8)和(9)可知，當(dāng)?shù)刃ё杩购蚐ST輸出端電壓幅值與相位不同時，其相應(yīng)產(chǎn)生的線路電流的相位與幅值不同，會在并聯(lián)系統(tǒng)中產(chǎn)生環(huán)流。環(huán)流表達(dá)式為：

(10)

當(dāng)2臺SST并聯(lián)運(yùn)行，由于各并聯(lián)線路長短、使用材料不同等原因?qū)е戮€路阻抗不匹配時，則必然會導(dǎo)致SST并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)之間產(chǎn)生環(huán)流。等效線路阻抗匹配差異度和輸出電壓差異度越大，產(chǎn)生的環(huán)流越大[13]。如何減小SST并聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行時的環(huán)流是研究熱點(diǎn)。

3 改進(jìn)控制策略

3.1 虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制

在電壓電流雙閉環(huán)中加入自適應(yīng)虛擬阻抗能有效提高無功功率分配精度，抑制環(huán)流[14]。自適應(yīng)的虛擬阻抗可以通過相關(guān)參數(shù)的變化不斷調(diào)整自身值，減少各SST之間的阻抗差異。計入虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程示意圖如圖4所示[15-16]。采用電壓電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，將電感電流作為反饋信號，以系統(tǒng)中某臺逆變器控制為例。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程示意圖

圖5 電壓電流雙閉環(huán)控制示意圖

(11)

[ZV(s)Gin(s)+Zo(s)]I0(s)

(12)

(13)

(14)

在感性情況下ZV(s)=sLV，將其代入式(14)可得

(15)

3.2 新型自適應(yīng)虛擬阻抗設(shè)計

目前，大量研究虛擬阻抗的文獻(xiàn)中設(shè)定了虛擬阻抗基礎(chǔ)值，但都默認(rèn)加在等效線路阻抗較低的一側(cè)，但實(shí)際應(yīng)用中無法測量等效線路阻抗較低處。為解決該問題，同時減小SST并聯(lián)運(yùn)行時的功率均分誤差和系統(tǒng)環(huán)流，提出一種新型自適應(yīng)虛擬阻抗：

(16)

將各個逆變器的無功容量與總輸出無功功率的比例權(quán)重計算所得值Qrefi作為各自的給定無功參考值，表達(dá)式為：

(17)

3.3 下垂控制的改進(jìn)

對于有功電流的分配問題，由于在頻率控制環(huán)中采用PI控制，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，頻率達(dá)到同步，即有ω1=ω2=…=ωn。如果容量相同的SST的下垂系數(shù)相等，那么有功功率就能得到均分。對于無功功率，因為控制環(huán)中沒有積分環(huán)節(jié)，穩(wěn)態(tài)時無功電流受饋線阻抗、負(fù)載突變、頻率偏差等因素導(dǎo)致電壓跌落，加大了無功電流的均分難度，因此需要進(jìn)行電壓補(bǔ)償。對應(yīng)的電壓補(bǔ)償表達(dá)式為：

(18)

為了消除無功功率的波動，在式(18)中加入微分環(huán)節(jié)，提升系統(tǒng)運(yùn)行時的響應(yīng)性能。改進(jìn)后的表達(dá)式為：

(19)

其中，K3和K4為電壓補(bǔ)償相系數(shù)。同時，為降低頻率偏差的影響，在f-Pi方程中增加有功微調(diào)補(bǔ)償相，對應(yīng)的改進(jìn)下垂控制總體方程為：

(20)

其中，K5、K6和K7為增加的有功微調(diào)補(bǔ)償修正系數(shù)。

3.4 控制策略的整體結(jié)構(gòu)

改進(jìn)控制策略整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。首先，對虛擬阻抗進(jìn)行改進(jìn)，降低功率均分誤差和系統(tǒng)環(huán)流；其次，針對系統(tǒng)中存在的電壓跌落和頻率波動問題對傳統(tǒng)下垂控制進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 改進(jìn)控制策略的整體結(jié)構(gòu)框圖

4 仿真實(shí)驗

為驗證改進(jìn)下垂控制策略的有效性，在Matlab平臺搭建多臺SST并聯(lián)運(yùn)行的仿真模型，具體參數(shù)如表1所示。根據(jù)不同運(yùn)行情況來檢驗改進(jìn)后的控制策略。

表1 仿真參數(shù)

4.1 2臺SST并聯(lián)運(yùn)行時投切負(fù)載

在容量相同的情況下，并聯(lián)系統(tǒng)在開始運(yùn)行時接入負(fù)載1，在1 s時接入負(fù)載2，在2 s時切除負(fù)載2，相應(yīng)波形如圖7和圖8所示。通過圖7的(a)—(c)可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)控制方法和改進(jìn)控制方法在并聯(lián)運(yùn)行、負(fù)載投切過程中，SST1和SST2輸出的有功功率最終都能實(shí)現(xiàn)均分。但加入新型虛擬阻抗控制和改進(jìn)下垂控制策略后，有功功率均分的動態(tài)性能得到明顯提升。

圖7 各種控制策略下SST輸出有功仿真結(jié)果

圖8 各種控制策略下SST輸出無功仿真結(jié)果

通過圖8和圖9可知，傳統(tǒng)控制策略無法實(shí)現(xiàn)無功均分，無功功率震蕩較大，在SST之間也存在較大環(huán)流。使用自適應(yīng)虛擬阻抗策略后，無功功率均能準(zhǔn)確且快速地均分，但無功功率震蕩依舊存在。此時加入改進(jìn)的下垂控制策略后，無功功率能快速均分，且無功功率震蕩被抑制，對應(yīng)的環(huán)流大大降低，充分驗證了所提出的自適應(yīng)虛擬阻抗和改進(jìn)下垂控制策略在功率均分、環(huán)流抑制方面的優(yōu)越性，表明其具有良好的動態(tài)性能。

圖9 SST輸出電流與環(huán)流仿真波形

4.2 2臺不同容量SST并聯(lián)運(yùn)行

當(dāng)負(fù)荷投切過程與情況1相同，但2臺SST之間的容量比為2∶1時，通過對下垂控制式(3)和式(4)的分析可知，穩(wěn)定運(yùn)行時SST的下垂系數(shù)需滿足式n1Q1=n2Q2，m1P1=m2P2。因此在SST之間的額定容量比2∶1時，對仿真參數(shù)進(jìn)行調(diào)整使得2X1=X2、2m1=m2、2n1=n2，其他參數(shù)不變，則2臺SST的輸出P1、P2與Q1、Q2的比值都為2∶1。在新控制策略下，對應(yīng)的P、Q輸出波形如圖10所示。可以看出，2臺SST輸出的無功與有功的功率比值均為2∶1，在投切負(fù)載時同樣具有快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

圖10 加入改進(jìn)策略的不同容量SST并聯(lián)運(yùn)行仿真結(jié)果

5 實(shí)驗驗證

5.1 實(shí)驗平臺介紹

搭建的逆變器硬件實(shí)物平臺如圖11所示。實(shí)驗以型號為TMS320C6657的DSP數(shù)字信號板為控制核心，在PE-iewX軟件使用C語言編程。實(shí)驗中，PE-Expert4控制機(jī)柜內(nèi)主要使用的3個基板分別是型號為TMS320C6657的DSP板、高載波頻率PEV板和ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換基板。可以提供以下幾種功能：① SST的U、W相與直流側(cè)電流信號的采集與處理運(yùn)算；② 逆變器的U相、W相與直流側(cè)電壓信號的采集與處理運(yùn)算；③ Upcc處三相電壓與電流信號的采集與處理運(yùn)算；④ 對逆變器的功率開關(guān)管輸入PWM控制信號。所采用的并聯(lián)SST控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖11 逆變器硬件實(shí)物平臺

圖12 并聯(lián)SST控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

5.2 實(shí)驗結(jié)果

實(shí)驗硬件參數(shù)如表2所示，控制參數(shù)與仿真設(shè)置相同。

表2 實(shí)驗硬件參數(shù)

采用改進(jìn)策略前后的實(shí)驗波形如圖13和14所示，其中I1為SST1輸出的電流，I2為SST2輸出的電流，IH= (I1-I2)為環(huán)流。

圖13 不同控制策略下并聯(lián)SST的輸出無功功率

傳統(tǒng)下垂控制策略的輸出無功與電流見圖13(a)和圖14(a)。由于線路阻抗存在差異，輸出電流存在一定的幅值差，2臺SST間的環(huán)流較大，存在無功不能均分的問題。加入新型虛擬阻抗策略后的實(shí)驗波形見圖13(b)。兩逆變器輸出具有較好的均流特性，實(shí)現(xiàn)了環(huán)流的降低與功率的均分，但無功功率震蕩較為嚴(yán)重。加入電壓與頻率補(bǔ)償后的輸出無功與電流見13(c)和14(b)，此時環(huán)流被極大抑制，功率均分效果大為改善，功率震蕩有效降低。

圖14 SST輸出電流和環(huán)流實(shí)驗波形

6 結(jié)論

1) 提出了一種改進(jìn)的虛擬阻抗控制策略，將各個SST的額定輸出無功與總無功容量的比例作為基準(zhǔn)，量出各個SST初始輸出功率，與基準(zhǔn)功率進(jìn)行一系列的比較判斷，自適應(yīng)地調(diào)整虛擬阻抗值，使并聯(lián)運(yùn)行的SST的輸出功率達(dá)到均分標(biāo)準(zhǔn)，從而抑制系統(tǒng)環(huán)流，提高能源利用率。

2) 在傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)上增加頻率和電壓自適應(yīng)補(bǔ)償兩個環(huán)節(jié)，有效降低電壓偏差和頻率偏差帶來的無功功率振蕩等影響，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力。仿真和實(shí)驗結(jié)果證明了補(bǔ)償環(huán)節(jié)的有效性。