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新型多端能量路由器的結(jié)構(gòu)及控制策略研究

2020-06-18 07:13衛(wèi)璐璐劉天保劉立群劉春霞
太原科技大學(xué)學(xué)報 2020年3期
關(guān)鍵詞:路由器直流分量

衛(wèi)璐璐,劉天保,劉立群,劉春霞,董 棟

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院,太原 030024)

隨著外部用電需求的改變,傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)接入大量“分布式儲能設(shè)備”“新型負(fù)荷”“可再生能源設(shè)備”等,傳統(tǒng)電力系統(tǒng)已無法滿足多樣性的供電需求,在交直流混聯(lián),電壓等級不同等要求下,傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)無法適應(yīng)未來能源互聯(lián)網(wǎng)的需要,新型多端口能量路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵支撐設(shè)備之一,能源互聯(lián)網(wǎng)以傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)為基礎(chǔ),以先進(jìn)電子技術(shù)、信息技術(shù)為驅(qū)動,增加大量清潔性良好的可再生能源,是一種新型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)[1]。能源互聯(lián)網(wǎng)能有效控制人類對化石能源依賴程度,降低能源耗用。

能量路由器屬于電磁能變換設(shè)備,主要組成部分包括高頻變壓器、電力電子開關(guān)器件(全控型),一方面能解決傳統(tǒng)變壓器中電氣隔離與電壓變換問題,另外一方面可控制能量流向、調(diào)整電能質(zhì)量、排除故障、接入多種電荷符合等功能,具有很大的研究意義[2-3]。

目前,世界范圍內(nèi)存在不同種類能量路由器,例如,瑞士蘇黎世大學(xué)的研究成果——固態(tài)變壓器(1MVA);英國諾丁漢大學(xué)和意大利Rome Tor Vergata大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的背靠背多變換器(UNIFLEX-PM系統(tǒng));美國High Point University研究中心所研發(fā)的第一代固態(tài)變壓器;中國電力研究所盛萬興先生所提出的電能交換器[4-6]。上述關(guān)于能量路由器的研究都以變壓器為主要功率變化電路為基礎(chǔ),多數(shù)采用單輸入輸出結(jié)構(gòu),并且可以兼顧多種形式、多個等級、不同電源、不同負(fù)載的結(jié)構(gòu)。

本文所分析的新型能量路由器相對靈活,擴展性、兼容性相對突出,能同時符合多種形式分布電源、交直流負(fù)荷接入電網(wǎng)的要求。并且在高壓交直流端口采用模塊化多電平換流器(MMC)結(jié)構(gòu),能有效控制電能損耗程度,便于故障處理,并實現(xiàn)高質(zhì)量的輸出波形。中間部分選擇使用ISOP結(jié)構(gòu),以此控制DC/DC模塊數(shù)量,提升電壓等級,并保持電網(wǎng)的靈活性,使能量路由器更簡單、實用、經(jīng)濟。

1 能量路由器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

能量路由器由五部分組成,分別是高壓交流輸入、低壓直流輸出、高壓直流輸入、中低壓交流輸出、中間多變換器模塊串并聯(lián)組合系統(tǒng)部分,其結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。其中N為MMC子模塊個數(shù),M為中間部分DC/DC變換器的個數(shù),Ls為高壓交流輸入部分網(wǎng)側(cè)等效阻抗,R0,L0分別為高壓交流輸出部分、上橋臂損耗、下橋臂損耗、濾波電感等。R1則是交流輸出網(wǎng)側(cè)濾波電阻,L1是濾波電感[7-8]。

在能量路由器的高壓交流輸入部分,實現(xiàn)MMC、高壓交流電網(wǎng)的結(jié)合,但是MMC電路表現(xiàn)出模塊化,并與低開關(guān)頻率形成高波形品質(zhì)的輸出電壓,以此減少換流器開關(guān)時產(chǎn)生的損耗,實現(xiàn)高效換流器,保持良好的經(jīng)濟性??衫貌煌幽K將不同電壓、功率進(jìn)行串聯(lián),以此提升拓?fù)潇`活程度[9]。中低壓交流輸出部分可以根據(jù)不同的電壓等級采用不同的結(jié)構(gòu),若輸出電壓較低可采用傳統(tǒng)的三相橋式逆變器,本文書的電壓較高,采用MMC結(jié)構(gòu)。

中間部分以多變換器模塊組成,但是因為系統(tǒng)本身屬于標(biāo)準(zhǔn)化模塊,為降低實踐周期和開發(fā)成本,可以在系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴容。結(jié)合聯(lián)接方式的差異可分成四個類型:輸入并聯(lián)+輸出串聯(lián)、輸入并聯(lián)+輸出并聯(lián)、輸入串聯(lián)+輸入串聯(lián)、輸入串聯(lián)+輸出串聯(lián)[10]。本文選擇使用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián),具體如圖1所示。

圖1 新型能量路由器結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

高壓直流輸入、低壓直流輸出兩個部分均選擇使用DC/DC變換器(Buck-Boost型)。

2 能量路由器控制方法

2.1 高壓交流輸入控制方法

2.1.1 數(shù)學(xué)模型

高壓交流輸入所選擇的是MMC結(jié)構(gòu),具體拓?fù)鋱D如圖2所示。公式中Ls=交流側(cè)等效電感;isj=網(wǎng)側(cè)等效電流;usj(j=a,b,c)=網(wǎng)側(cè)等效電壓。R0、L0均屬于MMC相橋臂等值損耗電阻與濾波電感(N是指子模塊數(shù)量、SM是指子模塊),SM、N值需要按照交流側(cè)母線電壓進(jìn)行評估。a、b、c上下橋臂子模塊數(shù)保持相同,upj是j相上橋臂電壓;unj是j相下橋臂電壓;ipj是j相上橋臂電流;inj是j相下橋臂電流;Udc是直流側(cè)電壓。

圖2 高壓交流輸入部分拓?fù)鋱D

就基爾霍夫電流定律而言,可將a相網(wǎng)側(cè)輸出電流如式(1)表示:

isa=ian-iap

(1)

因為MMC在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上表現(xiàn)對稱性,因此直流母線Idc當(dāng)置于a、b、c三相時,出現(xiàn)均勻分布,而

上橋臂、下橋臂間也近似均勻分布,則a相上、下橋臂電流如式(2)所示:

(2)

結(jié)合基爾霍夫電壓定律的內(nèi)容,上橋臂、橋臂輸出電壓可用如式(3)表示:

(3)

通過相減上面兩個式子,可判斷直流母線電壓、上橋臂、下橋臂輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系如式(4):

(4)

通過求出兩者的總和,可以判斷網(wǎng)側(cè)輸出相電壓、上橋臂輸出電壓、下橋臂輸出電壓的相互關(guān)系,如式(5)所示:

(5)

化簡如式(6):

(6)

因為MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本表現(xiàn)為兩邊對稱,所以在坐標(biāo)不變的情況下,可以a相分析結(jié)果對其他兩相進(jìn)行類比,可得MMC的數(shù)學(xué)模型如式(7):

(7)

由于數(shù)學(xué)模型中的電壓和電流均為交流時變分量,無法對MMC工作原理進(jìn)行合理分析。為單獨控制電流有功分量、電流無功分量,并進(jìn)行Park變換。在保證其兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系前提下,可利用三相坐標(biāo)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換,最終得到式(8)所示模型:

(8)

由于上式存在微分變量,為了MMC設(shè)計需要,利用拉普拉斯配合MMC轉(zhuǎn)換,并設(shè)計式(9)數(shù)字模型:

(9)

2.1.2 控制方法

MMC最關(guān)鍵的功能就是滿足多種電能形式的轉(zhuǎn)換問題,電流是電能的重要切換入口,在換流器發(fā)揮管家作用。所以,MMC以交流側(cè)輸入電流、上橋臂電流、下橋臂電流為主要研究對象。

本系統(tǒng)使用直流電流進(jìn)行控制,外環(huán)部分則選用功率控制。具體控制框架如圖3所示。

圖3 高壓交流輸入部分控制系統(tǒng)圖

(1)內(nèi)環(huán)電流控制

三相靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型清晰度較高,各項指標(biāo)相對清楚,但是利用MMC交流測試各項物理指標(biāo),所得結(jié)果都是交流量,在時間的變化下,不利于系統(tǒng)控制器設(shè)計,并且沒辦法單獨跟進(jìn)電流信號有功分量、無功分量問題,上文結(jié)合MMC數(shù)學(xué)模型已對坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理,具體如式(10)所示:

(10)

如上式所示,通過分析dq坐標(biāo)分布,發(fā)現(xiàn)MMC網(wǎng)側(cè)d軸分量、q軸分量間表現(xiàn)耦合關(guān)系,為可獨立控制無功分量與有功分量,應(yīng)對公式中微分分量實施有效轉(zhuǎn)化,故引入PI控制器,并結(jié)合上式得式(11):

(11)

其中,idref是d電流參考量、iqref是q電流參考量,可通過控制外環(huán)功率計算具體數(shù)值。

(2)外環(huán)功率控制

在分析三相靜止坐標(biāo)系時,應(yīng)該以瞬時無功功率理論為基礎(chǔ),在網(wǎng)側(cè)三相交流源部分進(jìn)行Q和P的輸出,具體如式(12)、(13)所示:

(12)

(13)

為了可以單獨控制無功功率、有功功率,需要針對式(13)的Park進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并列入dq坐標(biāo)中,在保持系統(tǒng)穩(wěn)定的同時,網(wǎng)側(cè)交流電壓的Uq=0,具體如式(14):

(14)

從上式分析可得,MMC網(wǎng)側(cè)輸入有功無功功率和輸入相電流有功id表現(xiàn)線性關(guān)系,而無功功率和輸入相電流無功分量iq表現(xiàn)線性關(guān)系。通過有效把控id、iq,可單獨實現(xiàn)P和Q的控制和管理。使用PI控制器降低穩(wěn)態(tài)誤差的影響,具體如式(15):

(15)

(3)MMC調(diào)制方式

MMC以電容電壓排序為基礎(chǔ),選擇電平逼近調(diào)制的手段,與階梯波調(diào)制相類似,控制手段作用機理相對明確,實現(xiàn)容易,效率較高,適用于高電壓高電平場合[11-14]。

a相為例,假設(shè)不同時刻a相上下橋臂所需子模塊數(shù)是nu、nd,可用如式(16)表達(dá):

(16)

2.2 高壓直流輸入部分控制方法

高壓直流輸入時需要DC/DC變換器(Buck-Boost型)配合,選擇使用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制的手段,保持輸入直流電壓的穩(wěn)定性。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制框圖如圖4所示。

圖4 高壓直流輸入端口拓?fù)鋱D及控制框圖

2.3 中間部分控制方法

圖5 ISOP控制框圖

2.4 交流輸出部分

如圖1所示,在交流輸出端口部分,MMC保持與交流電網(wǎng)的連接,但是需要選擇使用以電容電壓排序為基礎(chǔ)的調(diào)制手段,以此約束篇幅的增加,使系統(tǒng)有所簡化。

2.5 低壓直流輸出部分

針對低壓直流輸出端口部分可選擇使用DC/DC換流器(Buck或者Boost型),選擇使用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)的方式進(jìn)行控制,以此保持輸入直流電壓的穩(wěn)定性,具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示:

圖6 中低壓直流輸出部分拓?fù)鋱D

3 仿真驗證

為了評估新型能量路由器是否適用于本次系統(tǒng),以MATLAB為基礎(chǔ)建立仿真模型(圖1所示)。高壓交流輸入中MMC上下橋臂間應(yīng)保證有4個子模塊,分別以10 kV,50 Hz高壓交流配電網(wǎng)連接,高壓直流電應(yīng)保持在10 kV,各個部分均與前文所提出的控制策略相呼應(yīng),具體仿真參數(shù)如下表所示:

表1 高壓交流輸入部分參數(shù)

表2 高壓直流輸入部分參數(shù)

表3 中間部分參數(shù)

表4 中低壓交流輸入部分參數(shù)

表5 低壓直流輸入部分參數(shù)

圖7為整體電路運行仿真圖。其中,圖7(a)為新型能量路由器高壓交流部分輸出電壓波形圖;圖7(b)為中間部分ISOP系統(tǒng)輸出電壓波形圖;圖7(c)和圖7(d)分別是中低壓交流部分輸出電壓、低壓直流部分輸出電壓示意圖。

圖7 仿真系統(tǒng)運行圖

4 結(jié)論

新型多端口電網(wǎng)能量路由器的開發(fā),對于解決新能源消納瓶頸,實現(xiàn)城市配電網(wǎng)的高效,可靠和穩(wěn)定運行,具有非常重要的作用,在理論意義和實踐作用方面尤為明顯。本文以目前路由器為分析基礎(chǔ),針對性提出滿足供電形式多樣性和交直流混聯(lián)的新型能量路由器,分析對應(yīng)板塊的控制手段,與此同時利用仿真試驗的方式對控制手段的可行性進(jìn)行檢驗。針對性提出新型能量路由器結(jié)構(gòu)的問題,交流輸入和輸出均采用MMC結(jié)構(gòu),中間部分采用ISOP系統(tǒng),可以滿足不同形式等級的電源負(fù)荷,應(yīng)用場景比較廣闊。

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