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發(fā)電機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)的功率分配研究 |
摘要:通過對(duì)同步發(fā)電機(jī)下垂特性和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等外特性的模擬,分布式逆變單元可表現(xiàn)出同步發(fā)電機(jī)特性,針對(duì)虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)并聯(lián)系統(tǒng)的功率不能合理均分和環(huán)流等問題,根據(jù)下垂方程和有功頻率下垂控制的單臺(tái)小信號(hào)方程推導(dǎo)了VSG并聯(lián)系統(tǒng)的功率均分公式,此種參數(shù)設(shè)計(jì)公式對(duì)于相同和不同容量的VSG并聯(lián)系統(tǒng)同樣適用,且在暫態(tài)和隱態(tài)情況下都可實(shí)現(xiàn)VSG按自身容量分配功率。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,按照本文所提出的功率均分公式設(shè)計(jì)并聯(lián)VSG參數(shù),可實(shí)現(xiàn)相同和不同容量并聯(lián)VSG系統(tǒng)的功率均分。
一、虛擬同步發(fā)電機(jī)基本原理
如何實(shí)現(xiàn)多臺(tái)VSG之間合理均攤負(fù)載功率,且實(shí)現(xiàn)“能者多勞”和“按需分配”是本文研究的重點(diǎn)問題?;谙嚓P(guān)文獻(xiàn)研究,做了如下工作:以康明斯并聯(lián)系統(tǒng)為例(如圖1所示),根據(jù)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程推導(dǎo)了容量比和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼下垂、調(diào)節(jié)系數(shù)和下垂系數(shù)等參數(shù)間的關(guān)系,按照此關(guān)系設(shè)定VSG參數(shù),可實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程中VSG間的功率分配,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此控制策略的正確性和有效性。
圖2為2臺(tái)VSG并聯(lián)系統(tǒng)的示意圖。圖2中,Lfi和Cfi(i=1,2)分別為2臺(tái)VSG的濾波電感和濾波電容,iabci,uoabci和ioabci分別為VSG的濾波電流、輸出電壓和輸出電流。此處討論的并聯(lián)系統(tǒng)工作在孤島模式下,且?guī)б缓愎β守?fù)載。VSG控制主要包括有功頻率下垂控制、無功電壓下垂控制和虛擬阻抗,本文只介紹下垂控制。
圖1 康明斯發(fā)電機(jī)組數(shù)字并機(jī)控制系統(tǒng) |
圖2 發(fā)電機(jī)并聯(lián)示意圖 |
1、有功頻率下垂控制
VSG有功頻率下垂控制的控制框圖如圖3所示。圖3中,柴油機(jī)調(diào)節(jié)方程如下式:
Pm=Pref+Kω(ω0-ω)...............(公式1)
式中,Pm為柴油機(jī)功率;Pref為有功給定;Kω為調(diào)差系數(shù);ω0,ω分別為額定和實(shí)際轉(zhuǎn)子角速度。
轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程如下式:
...............(公式1) |
式中,Pe為電磁功率;D為阻尼系數(shù);J為虛擬慣量;θ為功角。
根據(jù)式(1)、式(2)以及圖3可知,逆變器可實(shí)現(xiàn)有功頻率下垂控制,實(shí)現(xiàn)多逆變器之間的有功功率均分,可保證并聯(lián)逆變器輸出頻率一致。
2、無功電壓下垂控制
VSG無功電壓下垂控制的表達(dá)式如下:
Uref=UN+KU(Qref-Q)...............(公式3)
式中,UN為額定電壓;KU為無功電壓下垂系數(shù);Qref,Q分別為給定和實(shí)際無功。
圖4為無功電壓下垂控制框圖。VSG可實(shí)現(xiàn)無功電壓下垂控制,逆變器可參與電網(wǎng)功率調(diào)度,滿足電網(wǎng)要求。
圖3 發(fā)電機(jī)有功頻率下垂控制 |
圖4 發(fā)電機(jī)無功電壓下垂控制 |
二、VSG并聯(lián)功率均分控制策略
2臺(tái)VSG并聯(lián)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型如圖5所示。圖5中,U1和U2為VSG輸出電壓幅值;φi(i=1,2)為VSG和公共交流母線的相角差;Z1,Z2和ZL分別為VSG1,VSG2的線路阻抗和負(fù)載阻抗。假定阻抗為感性環(huán)境,則Z1=ωL1,Z2=ωL2。為簡(jiǎn)化分析計(jì)算,以2臺(tái)VSG并聯(lián)為例。設(shè)2臺(tái)VSG的有功功率比值和無功功率比值都為n,即P1∶P2=Q1∶Q2=n。
圖5 發(fā)電機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)圖 |
1、有功功率均分
若多個(gè)變換器并聯(lián)運(yùn)行以按照各自容量比均分有功功率,可降低各電路中開關(guān)器件的電流應(yīng)力,有利于開關(guān)器件的選擇。在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)處,對(duì)式(1)和式(2)進(jìn)行小信號(hào)擾動(dòng),整理化簡(jiǎn)得出孤島帶載運(yùn)行的VSG的小信號(hào)模型為
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...............(公式4) |
...............(公式5) |
式中,mp為VSG的有功頻率下垂系數(shù);t為VSG控制中慣性環(huán)節(jié)的慣性時(shí)間常數(shù)。由式(5)可以看出,VSG控制的本質(zhì)是一種下垂控制,具體來說,是一種慣量時(shí)間常數(shù)較大的下垂控制。根據(jù)P—?下垂關(guān)系:
ω=ω0-mpP...............(6)
2臺(tái)VSG并聯(lián)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),此系統(tǒng)中各點(diǎn)處的角頻率處處相等,即ω1=ω2=ω。所以,mp1P1=mp2P2,此時(shí),有功功率滿足:
...............(公式7) |
可見,有功頻率下垂系數(shù)mp與VSG的有功功率成反比。由式(5)可知,阻尼系數(shù)D和調(diào)差系數(shù)Kω均與有功頻率下垂系數(shù)mp呈反比。又由式(7)可知,有功頻率下垂系數(shù)mp與有功功率成反比,所以,阻尼系數(shù)D和調(diào)差系數(shù)Kω均與VSG有功功率成正比,即
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VSG并聯(lián)系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)t由前級(jí)儲(chǔ)能裝置決定,故是一常量;根據(jù)式(5)可知,即轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J與有功頻率下垂系數(shù)mp成反比,此時(shí):
...............(公式9) |
整理式(7)~式(9)可知,若VSG的重要參數(shù)滿足下式,則并聯(lián)的VSG在運(yùn)行過程中即可實(shí)現(xiàn)有功功率的均分。
...............(公式10) |
當(dāng)并聯(lián)VSG系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)滿足式(10)時(shí),可實(shí)現(xiàn)有功功率均分。
2、無功功率均分
如果并聯(lián)變換器之間存在無功環(huán)流,會(huì)增大系統(tǒng)損耗,影響并聯(lián)逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行。為解決此問題,下面討論如何均分無功功率。當(dāng)逆變器工作在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)時(shí),考慮各臺(tái)VSG的實(shí)際線路阻抗的影響,根據(jù)無功電壓下垂控制方程式(3)可得:
KU1Q1+UZ1=KU2 Q2+UZ2...............(公式11)
式中,KU1,KU2分別為VSG1和VSG2的無功電壓下垂系數(shù);Q1,Q2分別為VSG1和VSG2輸出的無功功率;UZ1,UZ2分別為2臺(tái)VSG線路阻抗上的壓降。
從式(11)可以看出,由于實(shí)際線路阻抗的影響,即使?jié)M足無功電壓下垂系數(shù)與無功功率比n成反比,也無法保證無功功率均分。
由圖4可知,PCC點(diǎn)的電壓可表示為
對(duì)于穩(wěn)定運(yùn)行的并聯(lián)系統(tǒng),ω1=ω2=ω。由于p1和p2比較小,sin p1=p1,sin p2=p2,cos p1=1,cos p2=1,整理式(13)可得:
...............(公式14) |
在輸出阻抗呈感性的情況下,逆變器輸出的有功功率可表示為
又因?yàn)檩敵鲎杩钩矢行?,所以,Xi=ωLi,即X1/X2=L1/L2,將其帶入式(16)整理得:
綜上可得:
當(dāng)并聯(lián)VSG系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)滿足上式時(shí),系統(tǒng)的無功功率可實(shí)現(xiàn)均分。結(jié)合式(10)和式(20)可得:
不失一般性,若要實(shí)現(xiàn)不同容量VSG并聯(lián)時(shí)的有功和無功均分,須滿足以下條件:虛擬慣量J,阻尼D,調(diào)差系數(shù)Kω和容量比n成正比,有功頻率下垂系數(shù)mp和無功電壓下垂系數(shù)KU與容量比n成反比。
三、仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
1、仿真分析
仿真開始的時(shí)候,VSG1帶載正常工作,在0.2s時(shí)打開VSG2的并聯(lián)預(yù)同步單元,0.5s時(shí)關(guān)閉并聯(lián)預(yù)同步單元,同時(shí)投入VSG2,此時(shí)VSG1和VSG2并聯(lián)帶載運(yùn)行。按照式(21)在VSG仿真模型中設(shè)計(jì)2臺(tái)VSG控制環(huán)路參數(shù),仿真波形如圖6所示。由圖5可知,有功和無功功率可實(shí)現(xiàn)良好的均分。驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)公式的正確性。
圖6 發(fā)電機(jī)VSG并聯(lián)功率均分的仿真波形 |
2、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為驗(yàn)證前文推導(dǎo)的式(21)的正確性,搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。不考慮前級(jí)儲(chǔ)能裝置特性,380V交流電通過調(diào)壓器及不控整流電路向逆變電路供電,考慮到安全因素,將交流側(cè)輸出相電壓幅值設(shè)置為40V,功率開關(guān)管為IPM電力電子器件。
首先,VSG1帶22Ω負(fù)載單獨(dú)運(yùn)行,啟動(dòng)并聯(lián)預(yù)同步,待2臺(tái)VSG輸出電壓相位一致后,切除并聯(lián)預(yù)同步單元的同時(shí),投入VSG2,此時(shí),2臺(tái)VSG并聯(lián)帶載運(yùn)行,某一時(shí)刻突加22Ω負(fù)載。其中,2臺(tái)VSG參數(shù)按照式(21)設(shè)定,其參數(shù)設(shè)定是一致的。
負(fù)載投入動(dòng)態(tài)過程和空載到帶載,并聯(lián)動(dòng)態(tài)過程中不會(huì)產(chǎn)生電流沖擊,且?guī)缀醪粚?duì)交流母線電壓產(chǎn)生影響,快速實(shí)現(xiàn)了2臺(tái)VSG并聯(lián)和電流均分。加減載動(dòng)態(tài)過程中,無明顯電流沖擊,且均分電流速度快,說明采用此控制策略的動(dòng)態(tài)過程良好。2臺(tái)同等容量的VSG輸出電流都為4A,且相位基本一致,說明在2臺(tái)VSG能按照1∶1的容量比分配負(fù)荷。
實(shí)驗(yàn)開始時(shí),VSG1和VSG2空載運(yùn)行,打開VSG2并聯(lián)預(yù)同步單元,當(dāng)檢測(cè)到2臺(tái)逆變器輸出電壓的相位一致后,切除并聯(lián)預(yù)同步單元的同時(shí),閉合并聯(lián)開關(guān)。投入大約10Ω負(fù)載,觀察不同容量VSG并聯(lián)的電流均分效果。其中,2臺(tái)VSG參數(shù)按式(21)設(shè)定,2臺(tái)VSG容量比n為5∶3。
圖7和圖8為不同容量VSG并聯(lián)實(shí)驗(yàn)波形。由圖7和圖8可以看出,空載并聯(lián)的2臺(tái)VSG動(dòng)態(tài)特性良好,輸出電流相位一致,且幅值分別為5A和3A,即不同容量的VSG并聯(lián)時(shí)能實(shí)現(xiàn)按照容量比分配功率。這樣,大容量逆變器可承擔(dān)較大電流,可充分發(fā)揮其自身大容量優(yōu)勢(shì);流經(jīng)小容量逆變器的電流較小,不會(huì)帶來過載問題而損壞器件,從而提高微網(wǎng)運(yùn)行可靠性和效率。
圖7 發(fā)電機(jī)空載到帶載輸出波形 |
圖8 發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)波形 |
四、結(jié)論
本文研究了考慮不同容量并聯(lián)VSG電流均分控制策略,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所推導(dǎo)的式 (21)的正確性,并得到以下結(jié)論:
(1)在功率均分方面,本文推導(dǎo)了適用于并聯(lián)系統(tǒng)功率均分公式,可實(shí)現(xiàn)相同容量和不同容量并聯(lián)VSG按照自身容量分擔(dān)負(fù)載功率,有利于微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行;
(2)在動(dòng)態(tài)特性方面,突增突減負(fù)載的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明VSG具有良好動(dòng)態(tài)特性,且并聯(lián)過程無明顯電流沖擊,響應(yīng)速度快;
(3)在VSG參數(shù)設(shè)計(jì)方面,按照本文推導(dǎo)的關(guān)于功率均分的公式設(shè)計(jì)虛擬慣量J,阻尼系數(shù)D,調(diào)差系數(shù)Kω等VSG參數(shù),可實(shí)現(xiàn)VSG并聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行。
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