虛擬同步發(fā)電機(jī)用雙向直流變換器研究

2019-05-17 02:46王軍章

浙江電力 2019年4期

王軍章，蘭征

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲 412007）

0 引言

新能源分布式發(fā)電技術(shù)是解決當(dāng)今世界能源問(wèn)題的重要技術(shù)方法[1-2]，一般需要通過(guò)并網(wǎng)逆變器將新能源分布式發(fā)電產(chǎn)生的不同形式的電能變換成符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的電能形式才能接入電網(wǎng)[3]，但基于常規(guī)控制策略的并網(wǎng)逆變器與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)相比，缺乏同步功能[4]，穩(wěn)定性差[5]，且無(wú)法參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)[6-7]。

眾多分布式電源接入電網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)控制的失調(diào)[8-9]，不利于電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，為使大規(guī)模分布式發(fā)電適應(yīng)現(xiàn)有電力系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出通過(guò)先進(jìn)控制方法使得并網(wǎng)逆變器的輸出特性和傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的輸出特性等效[10-13]，該技術(shù)稱為VSG（虛擬同步發(fā)電機(jī)）技術(shù)，可以使分布式電源也具有傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)的大阻抗、大慣量、調(diào)頻、調(diào)壓等特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)分布式電源與電力系統(tǒng)的完美融合。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)VSG 進(jìn)行了大量的研究，文獻(xiàn)[14]從運(yùn)行控制、穩(wěn)定性分析以及典型應(yīng)用等方面綜述了VSG 技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題和研究現(xiàn)狀。文獻(xiàn)[15]提出了VSG的并網(wǎng)和離網(wǎng)2 種運(yùn)行狀態(tài)之間的無(wú)縫切換控制策略，同時(shí)指出，直流母線電壓的穩(wěn)定和足夠的能量緩沖是影響虛擬同步機(jī)輸出性能的關(guān)鍵。因此，VSG 技術(shù)更適用于含儲(chǔ)能單元的分布式能源與電網(wǎng)之間的連接。

電力系統(tǒng)具備調(diào)頻、調(diào)峰能力的發(fā)電廠一般都擁有足夠的備用容量。然而，光伏等分布式能源由于存在發(fā)電間歇性和不穩(wěn)定性[16]，采用VSG技術(shù)也無(wú)法為調(diào)頻和調(diào)峰提供足夠的備用容量，甚至易因光照變換引起控制失調(diào)，導(dǎo)致與電網(wǎng)解列，這將嚴(yán)重影響VSG 和電網(wǎng)的穩(wěn)定性[17]。因此需要增加儲(chǔ)能單元來(lái)為VSG 的調(diào)頻、調(diào)峰提供能量補(bǔ)給和吸收，保障分布式能源對(duì)電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷供電的穩(wěn)定性[18]。而儲(chǔ)能單元與直流母線的能量交換必須依靠雙向直流變換器完成。作為儲(chǔ)能單元和直流母線的中間環(huán)節(jié)，雙向直流變換器一方面為VSG 提供穩(wěn)定的直流母線電壓，另一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電池的充放電管理，保證儲(chǔ)能電池能夠可靠、高效地儲(chǔ)存和釋放電能。

本文詳細(xì)分析了適用于VSG 的雙向直流變換器，研究了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略，利用EMTDC/PSCAD 仿真驗(yàn)證了該雙向直流變換器應(yīng)用于VSG 的有效性和控制策略的正確性。

1 VSG 的結(jié)構(gòu)與原理

通常VSG 包含分布式電源、直流母線和同步逆變器，如圖1 所示，即分布式電源的能量流入直流母線，然后通過(guò)同步逆變器并網(wǎng)。此種組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制和實(shí)現(xiàn)，適合于輸出穩(wěn)定的分布式電源，如燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)等。此種組成的缺點(diǎn)在于分布式電源不穩(wěn)定時(shí)，直流母線電壓的偏差易引起同步逆變器控制的失調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致與電網(wǎng)解列，嚴(yán)重影響VSG 的穩(wěn)定性。

圖1 VSG 的組成結(jié)構(gòu)

圖2 在典型VSG 基礎(chǔ)上加入了雙向直流變換器和儲(chǔ)能單元，利用雙向直流變換器穩(wěn)定直流母線電壓，當(dāng)分布式電源大幅減少時(shí)，儲(chǔ)能單元通過(guò)雙向直流變換器釋放能量；當(dāng)分布式電源大幅增加時(shí)，儲(chǔ)能單元通過(guò)雙向直流變換器吸收能量；當(dāng)分布式電源穩(wěn)定時(shí)根據(jù)儲(chǔ)能單元的狀態(tài)對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行充電。這樣很好地解決了直流母線電壓不穩(wěn)定的問(wèn)題，適合于任何分布式電源，包括光伏、風(fēng)機(jī)等輸出不穩(wěn)定的電源。該VSG 組成中還增加了中央控制系統(tǒng)，用于協(xié)調(diào)分布式電源、并網(wǎng)逆變器和雙向直流變換器的功率，保證VSG 并網(wǎng)的穩(wěn)定性。

圖2 加入母線電壓穩(wěn)定單元的VSG 結(jié)構(gòu)

VSG 是在同步逆變器的控制環(huán)節(jié)中引入同步機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)與電磁暫態(tài)方程，可以將同步逆變器輸出等效為功角和幅值均可控的電壓源。讓同步逆變器的輸出特性來(lái)模擬同步發(fā)電機(jī)，從而使得同步逆變器也具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可自動(dòng)調(diào)壓、調(diào)頻。具體模擬過(guò)程如下。

VSG 的機(jī)械特性方程可表示為：

式中：D 為定常阻尼系數(shù)；J 為同步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω 為機(jī)械角速度；ω0為額定角速度；Tm和Te分別為機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩，其中Tm=Pm/ω，Te=Pe/ω。

由式（1）可得有功功率與角頻率之間的關(guān)系表達(dá)式為：

式（2）—（4）中：θ 為電角度；f 為VSG 的機(jī)端電壓頻率；f0為交流電網(wǎng)額定頻率；kf為頻率響應(yīng)系數(shù)；Pm為分布式電源的輸出功率，由額定功率和頻率響應(yīng)調(diào)節(jié)功率ΔPf兩部分組成。

由同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)原理可得出VSG的輸出電壓幅值為：

式中：kv為調(diào)壓比例系數(shù)；E0為空載電勢(shì)；U 和Ue分別為輸出端電壓的實(shí)際值和參考值。

結(jié)合式（3）和式（5）可得VSG 的輸出電壓為：

由同步電機(jī)的電路模型，可得輸出電流指令iref為：

式中：R 和L 分別為電網(wǎng)阻抗的等效電阻和電感；uac和e 分別為VSG 輸出電壓參考值和實(shí)際值。

由于同步逆變器并網(wǎng)時(shí)的輸出電壓由電網(wǎng)決定，所以指令電流的大小主要控制同步逆變器無(wú)功功率，指令電流的相位主要控制同步逆變器的有功功率。DC/AC（直流-交流）同步逆變器的控制環(huán)節(jié)中，使用PR（比例諧振調(diào)節(jié)器）來(lái)跟蹤指令電流值，就可以使光伏等分布式發(fā)電實(shí)現(xiàn)VSG功能。

為了使電網(wǎng)的頻率、電壓穩(wěn)定，必須使得VSG 的輸出功率跟隨電網(wǎng)狀態(tài)做出相應(yīng)調(diào)整，所以當(dāng)分布式電源輸出能量減少，不足以支撐虛擬同步機(jī)輸出功率時(shí)，雙向直流變換器控制儲(chǔ)能單元釋放能量；當(dāng)分布式電源輸出能量增加，超過(guò)虛擬同步機(jī)所需輸出功率時(shí)，雙向直流變換器控制儲(chǔ)能單元吸收能量，因此雙向直流變換器和儲(chǔ)能單元是虛擬同步機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的必要組成部分。

2 雙向直流變換器拓?fù)渑c控制

雙向直流變換器是可以雙象限運(yùn)行的直流-直流變換器，能夠根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)能量的雙向流通，功能上相當(dāng)于2 個(gè)單相的直流變換器。與隔離型的變換器相比，不隔離的直流變換器電路簡(jiǎn)單，采用的元器件較少。同時(shí)，為了滿足VSG 大功率和輸出性能的要求，采用三相交錯(cuò)并聯(lián)型結(jié)構(gòu)的雙向直流變換器，該結(jié)構(gòu)擁有輸出電流諧波小、效率高、開(kāi)關(guān)電流應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示。

2.1 互補(bǔ)PWM 移相調(diào)制

圖3 三相交錯(cuò)并聯(lián)的雙向直流變換器

雙向直流變換器同一橋臂的上下2 個(gè)開(kāi)關(guān)器件既可以工作在獨(dú)立的PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制方式，也可以工作在互補(bǔ)PWM 控制方式[19]。獨(dú)立的PWM 控制方式時(shí)，同一橋臂的2 個(gè)開(kāi)關(guān)器件不同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于Buck 電路和Boost 電路的反并聯(lián)組合，電感電流較小時(shí)會(huì)出現(xiàn)電感電流斷續(xù)狀態(tài)。然而，互補(bǔ)PWM 控制方式是同時(shí)控制雙向直流變換器同一橋臂上下開(kāi)關(guān)器件同時(shí)動(dòng)作，即互補(bǔ)導(dǎo)通。在電流較大時(shí)，2 種控制方式效果均可等效為Buck 電路或者Boost 電路；在電流較小時(shí)，互補(bǔ)PWM 控制方式電感電流連續(xù)。因此，此處更適合采用互補(bǔ)PWM 控制方法。

采用互補(bǔ)PWM 控制方式，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感電流正負(fù)交替出現(xiàn)，縮短了切換的過(guò)渡過(guò)程，提高了響應(yīng)速度。此時(shí)，雙向直流變換器的上下開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)信號(hào)的邏輯相反。即開(kāi)關(guān)器件S1，S3，S5分別與S2，S4，S6互補(bǔ)導(dǎo)通，各開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)的二極管都做續(xù)流二極管用，此時(shí)三相交錯(cuò)并聯(lián)雙向直流變換器工作于統(tǒng)一電路模式。此種模式下，母線電壓是隨著外接負(fù)載而波動(dòng)的，系統(tǒng)根據(jù)母線電壓的波動(dòng)來(lái)自動(dòng)調(diào)整能量流向。VSG 與雙向直流變換器系統(tǒng)整體控制框圖如圖4 所示。

針對(duì)雙向直流變換器的控制采用了電壓電流雙閉環(huán)控制策略，電壓外環(huán)經(jīng)過(guò)PI 控制器輸出參考電流信號(hào)iL_ref，電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)參考電流iL_ref的快速跟蹤。為了實(shí)現(xiàn)母線電壓寬范圍控制，在電壓外環(huán)加入了滯環(huán)比較器，滯環(huán)寬度U1體現(xiàn)了穩(wěn)壓范圍。此方法可以使雙向直流變換器在不會(huì)頻繁動(dòng)作的情況下，將直流母線電壓穩(wěn)定在[U0-U1，U0+U1]范圍內(nèi)。在產(chǎn)生PWM 調(diào)制波這一過(guò)程中，選用了更具優(yōu)勢(shì)的互補(bǔ)PWM 控制方式。

獨(dú)立PWM 控制和互補(bǔ)PWM 控制時(shí)電感電流波形如圖5 所示。設(shè)定0.15 s 之前工作在Buck狀態(tài)，0.15 s 后系統(tǒng)由Buck 狀態(tài)切換到Boost 狀態(tài)，可以看出，穩(wěn)態(tài)時(shí)，獨(dú)立PWM 控制下，電感電流斷續(xù)；互補(bǔ)PWM 控制下，電感電流連續(xù)，電感電流平均值的正負(fù)決定了能量流動(dòng)的方向。切換過(guò)程中，互補(bǔ)PWM 控制下的系統(tǒng)響應(yīng)快，電感電流比獨(dú)立PWM 控制下的電感電流更快地恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。因此在能量雙向交互模式下，采用互補(bǔ)PWM 控制會(huì)取得更好的控制效果。

VSG 中雙向直流變換器主要功能是通過(guò)能量補(bǔ)峰或吸收來(lái)維持直流母線電壓的穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載變動(dòng)頻繁時(shí)，雙向直流變換器需要頻繁地進(jìn)行能量的雙向流動(dòng)，而互補(bǔ)PWM 控制在功率流向切換頻繁時(shí)有著顯著的優(yōu)越性，因此互補(bǔ)PWM 控制方式與獨(dú)立PWM 控制方式相比更適用于VSG。

2.2 母線電壓寬范圍控制

為了將直流母線電壓維持在一定的范圍，保障VSG 的穩(wěn)定性，雙向直流變換器采用母線電壓寬范圍的控制方法。該方法具有動(dòng)態(tài)性能良好以及雙向直流變換器無(wú)需頻繁啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)VSG 工作在負(fù)載和電網(wǎng)比較穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，直流母線電壓只會(huì)在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，并不會(huì)影響VSG 的穩(wěn)定性，當(dāng)然也不需要儲(chǔ)能單元和雙向直流變換器的調(diào)節(jié)。但當(dāng)電網(wǎng)或負(fù)載的波動(dòng)范圍較大，極易造成虛擬同步機(jī)和電網(wǎng)失步，就需要利用儲(chǔ)能單元和雙向直流變換器配合的快速能量變換作用，對(duì)直流母線電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，即雙向直流變換器實(shí)現(xiàn)了能量的瞬時(shí)補(bǔ)峰功能?？紤]到VSG 在瞬間啟動(dòng)和卸放時(shí)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)巨大的沖擊，也可能引起器件的損壞、破壞電網(wǎng)的穩(wěn)定性，此時(shí)需要雙向直流變換器和儲(chǔ)能單元配合對(duì)直流母線電壓進(jìn)行緩沖，即實(shí)現(xiàn)雙向直流變換器對(duì)VSG 的瞬時(shí)啟動(dòng)和能量卸放輔助功能。綜上所述，雙向直流變換器采取了母線電壓寬范圍控制策略，使直流母線電壓穩(wěn)定在[U0-U1，U0+U1]范圍內(nèi)，本文U1取U0的5%。

圖4 VSG 與雙向直流變換器的系統(tǒng)控制框圖

圖5 不同調(diào)制方式下電感電流波形

雙向直流變換器控制流程如圖6 所示：

（1）VSG 啟動(dòng)時(shí)，雙向直流變換器先啟動(dòng)，建立穩(wěn)定的電壓U0。

（2）同步逆變器和分布式電源分別并聯(lián)在直流母線上。

圖6 雙向直流變換器工作流程

（3）分布式電源逐漸穩(wěn)定后，通過(guò)雙向直流變換器的母線電壓寬范圍控制，使直流母線控制在范圍內(nèi)。

（4）若分布式能源能夠與同步逆變器達(dá)到功率平衡，即母線電壓穩(wěn)定，則雙向直流母線電壓處于等待狀態(tài)。

（5）若電網(wǎng)或負(fù)載只有較小波動(dòng)，直流母線電壓仍然在[U0-U1，U0+U1]范圍內(nèi)波動(dòng)，雙向直流變換器仍然處于等待狀態(tài)。

（6）若電網(wǎng)或負(fù)載有較大幅波動(dòng)，母線電壓超出[U0-U1，U0+U1]的范圍時(shí)，雙向直流變換器進(jìn)行能量的瞬間補(bǔ)峰和卸放，使得母線電壓穩(wěn)定在[U0-U1，U0+U1]的范圍。

母線電壓寬范圍控制方式下，雙向直流變換器可以作為VSG 系統(tǒng)的啟動(dòng)和卸放輔助設(shè)備，以及能量的瞬時(shí)補(bǔ)峰裝置。同時(shí)儲(chǔ)能單元和雙向直流變換器不會(huì)頻繁動(dòng)作，極大提升了儲(chǔ)能和雙向直流變換器的開(kāi)關(guān)器件壽命，可降低系統(tǒng)維護(hù)成本。

3 仿真分析

為驗(yàn)證本文所提用于虛擬同步機(jī)的三相交錯(cuò)并聯(lián)型雙向直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略的正確性和有效性，搭建了基于EMTDC/PSCAD 的仿真模型。參照主電路拓?fù)洌ㄈ鐖D3 所示），具體仿真參數(shù)為：每相輸入電感L=1 mH，蓄電池額定電壓為216 V，蓄電池端電容值C1=235 μF，母線端電容值C2=705 μF，動(dòng)態(tài)過(guò)程各工況如下文所述。

（1）仿真工況1

雙向直流變換器先后工作于啟動(dòng)、等待和能量卸放3 種模式。其中雙向直流變換器啟動(dòng)時(shí)為VSG 提供啟動(dòng)電壓；當(dāng)母線電壓恒定時(shí)，雙向直流變換器進(jìn)入等待狀態(tài)，蓄電池不與系統(tǒng)交換能量；當(dāng)分布式電源能量過(guò)剩時(shí)，雙向直流變換器進(jìn)入能量卸放模式，傳輸系統(tǒng)能量至儲(chǔ)能蓄電池，避免母線電壓提升，維持母線電壓760 V 恒定。

工況1 的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形如圖7—11 所示，假定蓄電池放電時(shí)雙向直流變換器傳輸功率為負(fù)，充電時(shí)雙向直流變換器傳輸功率為正。從圖7 可以看出，啟動(dòng)階段雙向直流變換器通過(guò)蓄電池放電，為VSG 提供240 V 恒定的直流電壓，同時(shí)由于蓄電池放電，蓄電池電壓稍低于額定電壓216 V；當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定母線電壓恒定為760 V 時(shí)，直流變換器不動(dòng)作，處于等待階段；當(dāng)直流母線電壓波動(dòng)抬升超過(guò)限值時(shí)，通過(guò)蓄電池儲(chǔ)能，達(dá)到直流母線能量卸放目的，維持母線電壓恒定。從圖8可以看出直流變換器由等待階段向能量卸放階段切換時(shí)的母線電壓變化細(xì)節(jié)；從圖9 可以看出，能量卸放蓄電池以216 V 額定電壓恒壓充電，等待模式至能量卸放的切換過(guò)程只需0.04 s 即可達(dá)到穩(wěn)定。從圖10、圖11 可以看出雙向直流變換器啟動(dòng)模式時(shí)控制蓄電池放電，釋放功率；等待模式時(shí)蓄電池不充電也不放電，蓄電池與系統(tǒng)無(wú)功率交換；能量卸放模式時(shí)，蓄電池充電，蓄電池從系統(tǒng)吸收功率。

（2）仿真工況2

雙向直流變換器先后工作于啟動(dòng)、等待和能量補(bǔ)峰3 種模式。啟動(dòng)和等待模式如前文所述，當(dāng)分布式電源能量不足以支撐VSG 工作時(shí)，雙向直流變換器進(jìn)入能量補(bǔ)峰模式，使蓄電池釋放能量，傳輸至直流母線，避免母線電壓跌落，維持母線電壓恒定。

圖7 母線電壓和蓄電池電壓

圖8 母線電壓局部放大

圖9 蓄電池電壓局部放大

圖10 蓄電池電流

圖11 雙向直流變換器傳輸功率

工況2 的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形如圖12—16 所示，從圖12 可以看出啟動(dòng)階段至等待階段動(dòng)態(tài)過(guò)程同工況1，而當(dāng)直流母線電壓波動(dòng)跌落超過(guò)限值時(shí)，通過(guò)蓄電池放電釋放能量，進(jìn)行能量補(bǔ)峰，達(dá)到維持直流母線電壓恒定的目的。從圖13 可以看出，母線電壓升高超過(guò)限值后，經(jīng)歷0.2 s 重新恢復(fù)穩(wěn)定；從圖14 可以看出，填谷階段蓄電放電，電壓比等待階段有所跌落，等待模式至能量補(bǔ)峰的切換過(guò)程只需0.01 s 即可完成。從圖15、圖16 可以看出，啟動(dòng)階段時(shí)雙向直流變換器控制蓄電池放電，釋放功率；等待階段蓄電池不充電也不放電，蓄電池與系統(tǒng)無(wú)功率交換；能量補(bǔ)峰，蓄電池再次放電，釋放功率。