基于串联型功率单元的微电网运行控制
作者单位：天津大学
学位级别：硕士
导师姓名：何晋伟
授予年度：2020年
学科分类：0808[工学-电气工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 08[工学]
摘 要：分布式可再生能源发电技术的快速发展,以及储能系统的大规模应用,刺激了孤岛模式下微电网的应用。与传统电力系统相比,由电力电子接口变流器和光伏、风能等可再生能源以及储能系统构成的微电网具有控制灵活,可再生能源消纳能力强,多功能复用等特点。在过去的大多数的研究中,微电网系统通常由多个并联的分布式发电单元组成,在拓扑结构方面,因为分布式发电单元的直流侧电源电压等级通常小于直接使用一级DC/AC功率变换器为负载供电所需要的等级,所以通常采用两级功率变换,包括DC/DC升压和DC/AC变换。在功率分配方面,并联分布式发电单元通常使用下垂控制实现无通信的功率分配,然而由于馈线阻抗未知或主要呈阻性,下垂控制可能出现不稳定的情况,同时无功功率分配通常会有偏差,而合理的功率分配不仅需要分布式发电单元直流侧电源之间适当的能量管理,也需要合理的无功功率分配来减小电源电压的波动和减少并联分布式发电单元之间的环流,针对这些问题,已经有学者提出了相应的虚拟阻抗方法实现了并联分布式单元之间无功功率精确分配。与此同时,考虑到与并联分布式发电单元对偶的串联型微电网只需要通过单级DC/AC功率变换就可以将低压直流电源接入中压供电系统。其中,级联H桥微电网由于其滤波器体积小,使用低电压等级开关器件,被认为是可再生能源和储能系统集成为中压系统提供稳定供电的有效方法。过去的针对串联型微电网的研究主要在于并网方向,采用中央控制器对于多个具有同步PWM的变流器进行独立控制。但是对于孤岛微电网系统,使用这种集中式控制器存在两大难题,难题一在于孤岛微电网系统内多个串联连接的变流器单元之间距离相对较远,采用集中控制器利用高带宽通信线统一控制多个变流器单元不仅非常困难且成本昂贵。难题二在于考虑到并联分布式发电单元和串联连接的变流器单元的功率流动原理完全不同,在这种情况下不能使用常规的下垂控制。为了解决这些难题,最近有学者开发了一种完全分散的反功率因数下垂控制,通过使用每个变流器单元的功率因数作为反功率因数下垂控制器的输入,只需要本地控制器就可以实现串联型微电网内多个变流器单元的实际功率分配。但是需要注意的是,上述分散控制方法仍具有以下局限性:一、反功率因数下垂控制可能会导致稳态PCC节点电压幅值偏差和频率偏差,尤其是在使用大量分布式馈线连接变流器单元且馈线阻抗之和很高时,PCC节点电压幅值偏差情况更加严重。二、这种全分散的控制方法只能获得多个变流器单元相等的功率分配性能,而在实际应用场合下,每个变流器的后台可用功率容量一般不同,因此这种均等功率分配很少使用。针对以上问题,本文围绕串联型微电网PCC节点电压控制与多个变流器单元之间功率分配控制策略展开研究。本文提出了一种基于孤岛模式下串联型变流器微电网的改进的反功率因数下垂控制方法。为了实现功率的双向流动和开关纹波抑制,每个变流器单元由一个H桥变流器和一个输出LC滤波器组成,之后,这些变流器通过馈线串联连接。针对局限性一,PCC节点处放置一个中央控制器用于检测PCC电压状态,通过简单的恢复控制器计算出补偿输出电压增益,并通过低带宽通信下发到本地控制器,变流器单元采用简单的双闭环控制,保证PCC节点供电电压电能质量。针对局限性二,中央控制器负责测量负载功率因数,并收集每个变流器单元的状态信息,计算出每个变流器单元的权重因数,将这些信息通过低带宽通信下发到变流器单元本地控制器,变流器单元本地控制器采用改进的反功率因数下垂控制实现变流器单元之间成比例的功率分配,同时,由于变流器单元的频率偏差由反功率因数下垂控制项补偿,PCC节点电压频率偏差被动得到补偿。需要注意的是,采用传统全分散的反功率因数下垂控制时,由于变流器输出相角相同,若不考虑馈线阻抗压降,采用固定幅值控制变流器输出电压可以满足PCC节点供电电压幅值要求,而当采用提出的改进的反功率因数下垂控制时,变流器输出电压相角差与变流器直流侧能量差成正相关,当变流器直流侧能量相差较大时,采用固定幅值控制变流器输出电压将会导致系统PCC节点供电电压幅值不能满足要求,因此在中央控制器采用简单的恢复控制实现PCC节点电压幅值的补偿。另一方面,当变流器单元直流侧能量不均时,无论是采用传统全分散的反功率因数下垂控制还是提出的改进的反功率因数下垂控制方法,系统达到稳态时PCC节点供电电压都会存在一定的频率偏差。当采用传统全分散的反功率因数下垂控制方法,PCC节点供电电压的频率偏差与反功率因数下垂系数和负载功率因数乘积成正比,造成的角频率偏差超过供电需求的范围.而改进的反功率因数下垂控制方法补偿了系统PCC节点供电电压的大部分频率偏差,采用提出的改进反功率因数下垂控制方法引起的输出供电电压角频率偏差达到供电需求。由此可见,采用提出的改进的反功率因数下垂控制方法,PCC节点输出供电电压的幅值和频率都能得到极大的改善,满足PCC节点供电需求。为了验证系统的稳定性和阻尼性能,建立了三台变流器串联组成微电网系统的小信号模型。在考虑了低带宽通信带来延迟的情况下,利用迭代法选取合适的控制参数,系统呈现出良好的稳定性和阻尼性能。本文将提出的串联型变流器系统与传统并联型变流器系统进行对比,传统并联型变流器需要经过两级功率变换才能接入交流电网,而提出的串联型变流器只需要一级功率变换就能接入交流电网。当串联型变流器与并联型变流器同时采用两级功率变换,串联型变流器的升压比更低,可用度更高。同时也针对串联型变流器的特点提出了串联型变流器单元数目的选取方法,以及如何将串联型变流器组成的子微电网与并联型变流器组成的子微电网融入复杂微电网。系统实验结果验证了该系统控制的有效性。为了证明该方法的有效性,实验分为多个阶段,首先,设置三台串联型变流器直流侧能量比值,之后在多个阶段分别采用固定电压幅值频率控制,全分散的反功率因数下垂控制,提出的改进的反功率因数下垂控制,并在最后一阶段设置负载突变检验系统的抗干扰能力。实验结果证明了提出控制方法的有效性。当采用提出的改进的反功率因数下垂控制方法,PCC节点电压幅值和频率得到准确地控制,同时各串联型变流器输出功率按照设定的直流侧能量比值实现功率分配,负载突变后,系统迅速到达新的稳态工作点。与此同时,微电网能够通过分布式发电单元接口电力电子变流器的灵活调节,为本地的关键负载提供辅助的电能质量增强服务。当发生主电网故障时,它可以轻松地切换到孤岛运行以提供持续的电力。然而,由于传统的孤岛微电网的容量较低,电能质量问题可能较为严重。关于使用电力电子变流器来提高系统电能质量,已经有学者讨论了各种类型的有源阻尼方法。首先,分布式发电单元设备主要用于为本地负载提供辅助电能质量调节服务。例如,通过简单地修改分布式发电单元接口变流器的电流参考,利用分布式发电单元来减轻不平衡或谐波负载电流。最近,并联分布式发电单元已被应用通过协同控制来提高微电网PCC节点电压的电能质量。另外,对于具有多个电压节点的复杂微电网,已经有学者研究了并联谐振的影响,并通过分布式发电单元本地控制器实现网络阻抗的重塑来抑制并联谐振。需要注意的是,上述研究主要集中在具有并联分布式发电单元的微电网上。近年来,越来越需要将低压直流电源直接集成到高压系统中,而不是使用笨重的匹配变压器或多级电源转换。在各种类型的解决方案中,串联型微电网被认为是满足此要求的很好的选择。对于这种类型的微电网,当低压变流器单元的本地控制没有足够的PCC电压主动调节功能时,PCC节点电能质量问题可能很严重。使用中央控制器解决PCC节点电能质量问题并将控制命令从中央控制器发送到所有变流器单元是一种常见的解决方案。但是,这种方法存在局限性,局限性在于串联连接的变流器与中央控制器之间的距离较远,这种控制体系架构的可靠性较低,并且容易受到系统噪声和干扰的影响。针对这些局限,已经有一些使用分布式控制来解决此限制的工作。有学者已经应用了反功率因数下垂控制或反有功功率控制,以完全分散的方式实现变流器控制。但这些控制方法仍然存在一定的局限性,局限性一在于提出的分散控制通常着眼于变流器单元之间的基频功率分配上,并未考虑谐波抑制。局限性二在于每个变流器单元均具有独立的输出LC滤波器,成本较高。局限性三在于虽然每台变流器采用闭环电压跟踪环路来确保精确调节正弦输出电压,但是由于存在不确定的分布式馈线阻抗以及PCC节点非线性负载,这种控制仍然不能保证降低PCC谐波电压。针对局限性一,为了增强串联型变流器组成的孤岛微电网的电能质量,提出一种针对串联型变流器的分层的灵活的PCC谐波电压补偿方法。在提出的方法中,首先在PCC节点处放置一个中央控制器,负责系统的功率管理并将关键电能质量信息通过低带宽通信发送到变流器本地控制器。之后,由变流器本地控制器实现功率控制和电能质量治理,通过分层控制的方式降低PCC节点谐波电压,解决了局限性三。同时,为了降低成本,将提出的串联型变流器的独立LC滤波器集成为PCC节点的公共输出LC滤波器,解决了局限性二。由于本文主要针对PCC节点处电能质量治理进行研究,因此采用均等的功率控制,这种控制方法下,串联变流器基频输出电压相角相同,总输出电压为各串联型变流器输出电压幅值之和,但考虑到馈线阻抗上的压降,PCC节点输出电压幅值不能达到供电要求,因此采用电压补偿项来增大PCC节点输出电压幅值。接下来,本文分析对比了不施加主动谐波控制和提出的主动施加谐波控制方法下PCC节点输出电压谐波情况。当串联型变流器系统不施加主动谐波控制,由于非线性负载和LC滤波器谐振峰的存在,PCC节点输出电压含有大量谐波。当采用提出的主动施加谐波控制方法,非线性负载带来的低频谐波和LC谐振放大的中频谐波分别被闭环等效阻抗和内部虚拟阻抗抑制,经过伯德图分析,验证了提出的主动施加谐波控制方法的有效性。为了验证系统的稳定性和阻尼性能,考虑输出电压频率和幅值扰动,建立了三台变流器串联组成微电网系统的小信号模型。同时考虑了低带宽通信带来延迟,利用迭代法选取合适的控制参数,系统呈现出良好的稳定性和阻尼性能。通过对系统进行仿真和实验,验证了该系统控制的有效性。实验中每个串联型变流器由智能功率模块构成,PCC节点的中央控制器和每个串联型变流器的本地控制器采用DSP控制器,中央控制器和本地控制器之间采用RS485通信,采用Modbus通讯协议。实验设置层层递进,分为多个阶段,分别为不施加主动电能质量控制,采用全分散的反功率因数下垂控制,采用提出的输出电压幅值补偿方法,采用分散的载波移相PWM控制方法来抑制高频谐波,采用提出的虚拟阻抗来抑制低频特定谐波以及中频谐波。实验结果证明了提出控制方法的有效性。通过采用提出的主动谐波控制方法,基频幅值偏差,低频谐波,中频谐振以及高频开关纹波等宽频带内电能质量问题得到有效治理,PCC节点输出电压正弦度明显改善。同时提供了仿真结果证明了提出方法在高压大功率场合和负载突变情况下仍然能够有效改善电能质量。
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