首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 电力工业论文 > 考虑负载不平衡工况下微网储能变换器的控制策略

考虑负载不平衡工况下微网储能变换器的控制策略

2025-05-05 42 上传者：管理员

摘要：在微网模式下，储能变换器存在因负载变换频繁、非线性而引起输出的三相电压不平衡、电压波动性大、输出电压THD增大等问题，严重影响用电设备的稳定运行。基于此，文章通过分析逆变器不平衡产生的机理及不同负载条件下的数学模型，从电压控制角度出发，提出PI+PR双闭环控制策略，以实现在不同负载条件下，储能变换器输出的三相电压平衡及优越的动态性能。研究结果表明，所提控制策略能有效提高逆变器动态性能，解决三相电压不对称问题，降低电压THD，并通过搭建Simulink仿真模型，验证了其有效性。

关键词：
Simulink仿真模型
三相电压平衡
储能变换器
双闭环控制
微网模式
加入收藏

近年来,随着新能源电动汽车迅速发展,能源问题日益凸显,微电网成为改变能源结构,提供清洁能源,提高电网稳定性､可靠性以及降低送电功率损失的有效方式｡储能变换器是电池储能系统核心部分,承载着电力变换的任务｡为有效解决三相负载不平衡时储能变换器输出电压不平衡的问题,目前一般采用三种方式:一是把储能变换器的中心点与三相负载的中心点相连接,但这种方法通常只应用于三相负载的星型连接｡二是在传统三相逆变器的直流电容中点,形成分裂型电容三相逆变器拓扑,三相逆变器可以等效于三个独立的单相零点五桥,从而实现负荷不均匀的三相输出电流的对称性平衡｡该方法只适用于两电平的拓扑结构的逆变器,但并不适用于多电平的逆变器｡三是采用控制策略｡近年来研究的重点是对控制策略的研究｡文献[1]提出了改进的双环控制策略,通过设计同步正､负序控制器代替传统双环控制策略中的电压外环,调节输出电压中的正､负序分量,从而解决逆变器在不平衡负载条件下输出电压的畸变问题｡文献[2]采用基于多代理(MAS)的微电网拓扑识别改进策略,解决电网优化性问题｡文献[3]提出用分布式模型预测控制的策略对其系统进行协同优化和调节,实现整个微电网的功率平衡和电压稳定｡文献[4]采用电压环为PI+R控制､电流环为PI控制的双闭环控制策略,该控制策略虽简化了控制,但是该控制要经过多次的dq/αβ,αβ/abc坐标变换,计算量依旧较大｡文献[5]以孤岛运行模式下的直流微电网为研究对象,建立系统的等效非线性电路模型,利用混合势函数构造系统的李雅普诺夫函数,同时借助渐进稳定域定理求得系统的渐进稳定域,进而分析恒功率负载功率对系统渐进稳定域的影响,以确保整个微电网的功率平衡和电压稳定｡文献[6]提出了一种基于60°两相系统的三相四桥臂MMC的控制策略,通过引入dq到AB的坐标变换Tdq/AB,实现三相四桥臂MMC对电流的控制｡文献[7]利用不平衡电网下无功功率的新定义在α-β两相静止坐标系下建立了三相PWM整流器的数学模型,并提出了相应的控制方案在电网三相电压不平衡时,通过功率平衡控制,抑制了电网的谐波和直流侧的二倍频波动｡

本文通过分析逆变器不平衡产生的机理,从电压的角度进行控制,采用PI+PR双闭环控制的策略,实现在不同负载条件下,储能变换器输出的三相电压平衡,减小THD｡建立Simulink仿真模型,验证不同负载条件下本控制策略的有效性｡

1、MMC储能变换器

基于模块化多级拓扑结构的储能变换器[8]不仅效率高,而且输出电压电流THD小｡其典型拓扑结构由六个桥臂组成｡上､下桥臂形成相桥臂｡每个桥臂由n个子模块(SM)级联和桥臂电感L组成,每相输出电平数可达2n+1｡子模块由H半桥组成｡参考文献[9]､[10]对典型拓扑结构中的一相进行分析,其等效电路图如图1所示｡

图1一相等效电路图

由基尔霍夫电压电流定律,得出式(1)和(2):

式中,up(t)为上桥臂输出的电压,un(t)为下桥臂输出的电压,uLp(t)为上桥臂电感Lp的电压,uLn(t)为下桥臂电感Ln的电压,uao(t)为ao点之间的电压,iz为外环路电流｡只考虑负载,为便于控制对图1进一步简化,将储能变换器的一相等效为一个交流源,等效电路图如图2所示｡

图2考虑负载一相等效电路图

由图2可知,储能变化器输出的电压电流和负载的电压电流关系如式(3)所示:

2、不平衡机理

微网状态下,储能变换器的三相不对称现象主要是由三相负载不对称引起的｡不对称主要涉及幅值和相位两个方面｡在三相系统中,任意三相的不对称量(电压和电流)都可以分解为正序分量､负序分量和零序分量三组对称量的和[11]｡三相电压和电流分别用正序分量､负序分量以及零序分量表示,如式(4)所示:

式中,F为三相电压电流,Fp为正序分量幅值,Fn为负序分量幅值,F0为零序分量幅值｡αp为正序分量初始相位,αn为负序分量初始相位,α0为零序分量初始相位｡

将式(4)变换到αβ坐标和dq坐标下如式(5)和式(6)所示:

由式(6)可知,在三相负载不对称时,变换器输出三相电压和电流;在dq坐标下,不仅存在直流分量,而且存在二倍频的脉动分量,此时用传统的PI控制器对二倍频的脉动分量不能进行无静差控制,即在微网模式下三相电压不平衡的原因｡

3、PI+PR双闭环控制策略

对于逆变器的控制,大多主要集中于dq解耦双闭环控制策略研究[12-13]｡储能变换器在微网模式下,负载变化较频繁且为非线性,采用传统的控制方法控制逆变器时动态响应较差,输出电压的THD较大｡为解决上述问题,本文提出恒压双环控制策略｡外环为电压均值环,采用PI控制器;内环为电压瞬时环,有二倍工频的脉动,采用PR控制器｡其系统控制框图如图3所示｡其中,udref和uqref为给定的参考值,ud_ave和uq_ave为反馈电压值ud和uq求均值之后的值｡

基于内膜原理的PI和PR控制其数学模型如式(8)所示:

根据图2和式(3)分析,其典型拓扑结构中逆变器的数学模型如式(9)所示:

由于内环中存在二倍工频,则w0=618rad/s｡故假定电网的波动频率为±0.5Hz,根据品质因数与带宽的关系,则wc=3.14rad/s｡三相电压的THD主要受3､5､7次谐波的影响,通过利用PR控制器能够使3､5､7次谐波得到有效抑制,其控制器框图如图4所示｡

图4谐波消除控制器框图

4、仿真分析

本文搭建Simulink仿真模型并采用表1系统参数进行仿真分析｡

表1系统参数

在负载平衡时(负载为纯电阻负载,20Ω),本文搭建的Simulink模型和选择的滤波电感能稳定输出三相电压｡负载不平衡时(负载为纯电阻负载,其中一相负载为20Ω,其余两相负载为40Ω),未采用本文控制策略时可得出,因三相负载的不同会导致逆变器中所形成的三相电压不均匀,并由此造成了负荷低的一相电压降低,而负荷高的一相电压升高｡利用本文提出的控制策略可以进行在不同负载工况下输出电压的对称调节｡在t=0.1s时,当一相负载从40Ω跳变到20Ω时,该相输出的电压只有微小脉动,其余两相电压未受其影响,说明该控制策略动态性能的优越性｡在t=0.1s时,当一相负载并联一个10uF电容时,该相输出的电压脉动,其余两相电压受其影响,有微小的冲击｡选择三相桥臂输出的电压波形进行THD分析,得到电压THD为1.71%,满足要求｡

5、结语

在微网模式下,针对负载变化频繁且非线性,导致输出电压不对称､电压THD较大､动态响应慢等问题,提出PI+PR双闭环控制策略,提高了逆变器动态性能,解决了三相电压不对称问题,降低了电压THD｡内环采用瞬时环,可提高系统的抗干扰能力和响应速度;外环采用均值反馈,增强了系统的静态性能｡

参考文献:

[1]王恒利,付立军,肖飞,等.三相逆变器不平衡负载条件下双环控制策略[J].电网技术,2013,37(2):398-404.

[2]陈超群,钱平.基于多代理在微电网中拓扑识别与仿真[J].现代电子技术,2016,39(11):149-151.

[3]张怡,刘洋.结合神经网络的微电网分布式模型预测控制[J].现代电子技术,2020,43(19):126-129.

[4]韦徵,茹心芹,石伟,等.适用于不平衡负载工况下的微网逆变器控制策略[J].电力系统自动化,2016,40(20):76-82.

[5]邵选英,胡健,焦提操,等.孤岛模式下直流微电网稳定域估计方法研究[J].现代电子技术,2020,43(17):166-170.

[6]鲁思兆,邓晓婷,李凯,等.三相四桥臂模块化多电平变换器控制方法研究[J].昆明理工大学学报(自然科学版),2018,43(5):60-67.

[7]纪伊琳,阚志忠,荣小兵.三相PWM整流器不平衡电网下的功率波动抑制控制[J].燕山大学学报,2021,45(2):153-159.

[8]任彬.带储能装置的模块化多电平换流器控制策略研究[D].北京:华北电力大学(北京),2016.

[9]杨兴武,薛花,高淳.一种新型MMC拓扑的分析与控制[J].电力自动化设备,2014,34(1):96-101.