微網孤島運行時的電壓控制

0微網系統的研究近年來，隨著能源消耗和環境污染的大量消耗，世界各國都高度重視水電、能源、電池等新能源發電，這是解決能源危機和環境污染不可替代的能源。由于風能、太陽能具有間歇式特點,系統輸出功率受天氣條件影響,會對大電網產生巨大沖擊。為了充分利用可再生能源,學者提出微網系統的概念。當外部電網發生故障時,微電網仍可以給本地負載提供持續、可靠、高質量的電能,增加電網抵御自然災害的能力。因此,微網系統逐漸成為國內外學者研究的熱點。當微網系統處于孤島運行模式時,逆變器作為系統運行的核心裝置,對其控制研究成為核心技術之一。傳統單閉環電壓控制雖然響應速度較快,但逆變器交流側接LC濾波器,負載呈感性時變成3階LCL濾波器,系統容易失穩。文獻將高壓系統的下垂特性應用于低壓微網,采用多環反饋控制器,提高了系統的穩定性,但考慮系統阻抗問題,使系統控制器的設計變得復雜。文獻提出改進的PV下垂控制(NPV),加入電壓和頻率偏差的前饋調節,實現電壓和頻率的二次調節,但系統處于并網穩態運行時,逆變器輸出功率波動較大。文獻,提出基于虛擬阻抗的改進下垂控制策略,引入虛擬電抗削弱線路阻性引起的功率耦合,解決線路阻抗不平衡帶來的無功均分問題。但負載呈感性時,虛擬電感會造成電壓畸變,且實際中虛擬阻抗值的大小也很難確定。本文采用預同步電壓電流雙閉環控制策略,在不同負載類型情況下,使逆變器輸出功率能夠實時滿足負載需求;控制交流側母線電壓和頻率,提高了系統的可靠性和穩定性。最后,通過Matlab/Simulink仿真,驗證了該控制策略的有效性。1在孤島模型中，逆向數學模型1.1雙向變壓器組成微網系統中逆變器的主電路拓撲結構如圖1所示。當微網處于孤島運行模式下,圖1中帶虛線的電網部分被省略,三相逆變器由直流電壓源udc、三相逆變橋、LC濾波器、交流母線、交流負載組成。其中逆變器橋臂中點電壓分別為ea,eb,ec;濾波電容電壓分別為ua,ub,uc;濾波電感電流分別為ial,ibl,icl;負載電流分別為ida,idb,idc。1.2變壓器數學模型由于微網系統在孤島運行模式下,系統完全失去了大電網的支撐和鉗位,系統變成了自治系統。根據圖1選取電感電流、負載電壓以及負載電流為控制變量,可以得出逆變器在d-q坐標系下的數學模型為式中:id,iq,ud,uq分別為電感電流、負載電壓的直流分量;idd,idq分別為負載電流的直流分量;R,L分別為負載中串聯的電阻和電感;ω0Lidd,-ω0Lidq為耦合電壓;ω0Cud,-ω0Cuq為耦合電流。2微網絡自治控制戰略2.1出電壓x、kp、kis-u3000電流黨內突變控制方程在孤島模式下,為了保證微網系統能夠提供穩定的電源,滿足電源與負荷之間的功率平衡,逆變器的控制采用電壓電流雙環控制,為系統提供電壓和頻率支撐。根據逆變器數學模型,可以得出電壓外環、電流內環的控制方程為式中:usd,usq為逆變器參考電壓;kp和ki為電流調節器的控制參數;ωref為電網角頻率。根據式(2),(3)可以得出電壓電流雙閉環的控制框圖,如圖2所示。圖中電壓外環的給定電壓E*和反饋電壓E作比較后,經過PI控制器調節,其輸出量作為電流內環的參考電流il*,與反饋電流il進行比較,并經過PI控制器調節;i為負載電流;kpv,kiv分別為電壓環控制器的參數;kpi,kii分別為電流環控制器的參數;Ts為系統采樣周期;KPWM為PWM增益;L,C為濾波電感電容。2.2孤島模式下變壓器控制框圖根據圖2和MASON公式可以得到系統的電壓開環傳遞函數:其閉環傳遞函數為由圖3可知,系統相角裕度為50°,幅值裕度大于50dB,系統具有較好的穩定性,由圖4可知系統具有較寬的帶寬。孤島模式運行下逆變器的控制框圖如圖5所示。在單電壓環的基礎上加入電流內環,使電壓環獲得更好的抗干擾性能,通過對給定頻率進行積分得到坐標變換所需的相位θ,由參考電壓和反饋電壓進行比較后,經PI調節并加入電容電流解耦環節,其輸出量作為電流內環的參考電流,然后與反饋電流進行比較,經過PI調節并加入電感電壓解耦環節,同時引入電壓前饋補償消除電壓擾動,由此,電壓、電流交叉耦合前饋補償項減小了兩者之間的耦合,提高了系統的動態性能,最后電流內環的輸出誤差量經過反Park變換后,采用脈寬調制技術(PWM)對逆變器進行有效控制。3交流側母線電壓與頻率的控制在不同負載的情況下,為了驗證電壓電流雙環控制策略對交流側母線電壓與頻率的控制,在Matlab/Simulink仿真環境下搭建仿真模型,其中負載包括純阻性負載、感性負載、容性負載,具體的仿真參數如表1。(1)交流側負載和頻率該算例中負載均呈阻性,在直流電壓恒定不變的條件下,各負載阻抗均為Z=100Ω;串聯電感、電容均為0;頻率為50Hz。負載突增、突減時逆變器輸出功率和負載功率的動態波形如圖6所示。由圖6可知,負載在0.2,0.4,0.8s時突增,逆變器能迅速調整其出力以滿足負載功率需求,在0.6s時負載突減,逆變器也能迅速精確分配輸出功率,由于濾波電容的容性無功及紋波電流的存在,造成逆變器輸出功率波動,但負載為阻性,其無功需求始終為0。交流側母線電壓有效值和頻率波形如圖7所示。在負載突變情況下,其母線電壓和頻率均很穩定。圖8為負載突變時負載電壓、電流波形,負載投入或切除均會引起負載電流的變化,而負載電壓波形變化較小。(2)感負載突增、突減時負載動效性該算例中負載呈感性,其主要參數與算例1的參數相同,負載串聯電感100mH,仿真結果如圖9~11所示。圖9為感性負載突增、突減時逆變器輸出功率的動態響應波形,同樣設置負載在0.2,0.4,0.8s突增和0.6s突減,由于負載呈感性,無功需求大量增加,而逆變器仍能迅速精確分配其輸出的感性無功以滿足負載需求。圖10為感性負載交流側母線電壓有效值和頻率波形,沒有出現較大波動。圖11為感性負載突增、突減時,負載電壓、電流波形均為正弦。(3)特性測試結果該算例中負載呈容性,其主要參數前兩者相同,串聯電容100μF,仿真結果如圖12~13。圖12為容性負載突增、突減時逆變器輸出功率和負載功率波形,負載在0.2s,0.4s,0.8s突增和0.6s突減,逆變器輸出無功和負載無功均出現明顯波動,其容性無功需求比較大,由于濾波電容可以補償部分無功,因此逆變器輸出的無功小于負載無功。圖13為交流側電壓有效值和頻率波形,與算例(1)、(2)相比,負載擾動影響更為明顯。容性負載時,負載突增、突減的三相電壓、電流波形與負載呈感性時相似。4不同負載突變時的仿真結果分析當微網系統處于孤島運行模式下,不同負載對逆變器輸出功率的影響不同,主要情況分為以下3種:①當負載均為阻性負載時,由于系統中存在線路阻抗,消耗系統一些有功。負載無功為0,但系統中存在濾波電容及紋波電流,提供部分無功,導致逆變器輸出無功增加;②當負載呈感性時,除存在①的情況外,不同之處在于濾波電感電容與負載電感組成一個3階LCL濾波器,容易引起系統不穩定。在負載發生突變時,雖然逆變器輸出功率發生波動,交流母線電壓和頻率也發生波動,但波動都不明顯,仍在誤差允許范圍內;③當負載呈容性時,除存在①和②的情況外,由于負載電容與濾波電感電容組成一個4階LCLC濾波器,更容易引起系統的不穩定。負載發生突變時,逆變器輸出的無功波動明顯。在容性負載不斷投入時,逆變器不能給負載提供足夠的無功,此時應該切除一些次要負載,