【海岛微电网下垂控制原理与系统模型分析5800字】

海岛微电网下垂控制原理与系统模型分析目录TOC\o"1-3"\h\u29582海岛微电网下垂控制原理与系统模型分析 1313581.1传统下垂控制原理 143721.2三相桥式逆变器的数学模型 4126291.3滤波器的设计 5127891.4派克变换的原理 791181.5功率控制模块分析与设计 9278931.6电压电流双闭环控制分析与设计 101.1传统下垂控制原理下垂控制是通过采集微电源出口处的电压电流的瞬时值并计算出其输出功率，经滤波器后获得平均功率，然后与设定好的参考电压和下垂特性曲线比较并得出输出电压和频率的控制信号。图1.1.1功率传输图图1.1.1所示为微电源到负载的功率传输图，其中微电源的出口端电压为，其中线路的阻抗大小为，在线路上流动的功率为，负荷处的电压为，可以计算出功率传输公式为：（1.1.1）逆变器输出的有功功率为：（1.1.2）输出的无功功率为：（1.1.3）由于高电压等级、中电压等级和低电压等级系统的传输线路阻抗参数的不同，其功率传输也呈现出不同的特性。表1.1.1典型传输线的阻抗参数（1）高电压等级线路中的感抗值是线路电阻值的数倍，即可以认为Z≈X，θ≈90°，而且一般也认为很小，可得sinδ≈δ，cosδ≈1[51-52]，则有功功率与无功功率公式可以改写为：（1.1.4）又已知与的关系如下：（1.1.5）可得在高压系统中可以通过调节电压相角差来调节有功功率P，同时可以通过调节电压U来调节无功功率Q[53-54]。（2）中电压等级系统中，输电线路呈阻感性，0<θ<90。又由于≈0，可得sinδ≈δ，cosδ≈1（1.1.6）可知当微电源传输线路呈阻感性时，电压相角差和电压U同时决定输出的有功功率与无功功率的大小。（3）低电压等级系统中，线路的电阻值的大小要远远大于电抗值的大小，可以认为Z≈R，θ≈0°，又由于≈0，可得sinδ≈δ，cosδ≈1，则有功功率与无功功率公式可以改写为：（1.1.7）可知在低压微电网中微电源的功率输出特性与高压微电网中刚好相反，即可以通过调节电压相角差来调节无功功率Q，可以通过调节电压U来调节有功功率P。综上所述，当因电压等级不同导致输电线路阻抗比不同时，有功功率与无功功率对电压和频率的关系，如图1.1.2所示：图1.1.2不同线路阻抗比时有功功率与无功功率与电压和频率的关系当输电线路的阻抗为感性的时候，传统的下垂控制可以表示为：（1.1.8）（1.1.9）式中，、为微电源输出电压频率的实际值与额定值，Hz；、Un为微电源输出电压幅值的实际值与额定值，V；、为微电源输出有功功率的实际值与额定值，W；、为微电源输出无功功率的实际值与额定值，V；、为微电源输出频率和电压幅值的下垂系数，Hz/W，V/Var。下垂系数m和n可用下列公式求得：（1.1.10）式中，为微电源有功功率输出的最大值，W；为微电源有功功率输出最大时允许的最小电压频率，Hz；为微电源无功功率输出的最大值，Var；为微电源无功功率输出最大时允许的最小电压幅值，V。当输电线路阻抗为阻性时，传统的下垂控制可以表示为：（1.1.11）（1.1.12）然而，这种通过有功功率来控制系统电压，无功功率来控制系统频率的控制策略与现代电力系统中同步发电机的有功功率控制系统的频率，无功功率控制系统电压的输出并不相符。本文主要对低电压等级线路阻抗为感性时的传统下垂进行改进，故不考虑该种情况。海岛微电网系统在实际运行中，优质的电能质量与系统的电压和频率息息相关[55]。考虑到海岛微电网系统中海水淡化负荷变化会导致频率和电压的过大波动，为使海岛微电网系统频率和电压满足负荷的需求，下垂系数的大小需要进行适当的选择，表1.1.2和表1.1.3为国家行业标准。表1.1.2频率波动国家标准表1.1.3电压波动国家标准1.2三相桥式逆变器的数学模型逆变器作为微电网系统的核心，逆变器能否稳定工作直接关系到系统的调节性能和稳定输出控制能力。而且我们都知道微电源是经过逆变器接入微电网的，所以微电源的控制问题可以转变为逆变器的控制问题。逆变器可以把微电源的直流电转变为满足需要的三相对称交流电。现在有两种常见的逆变器即电压源型逆变器和电流源型逆变器，其中电压源型逆变器可以看作一个理想的电压源，同样电流源型逆变器可以看作一个理想的电流源。他们的输出波形控制不仅仅均采用了SPWM调制来实现，而且都使用了相同的电路结构。因为电流源型逆变器需要很大的电感才能正常工作，导致了电流源型逆变器体积庞大笨重且难以运输。综合考虑，本文微电网中的逆变器采用的是电压源型逆变器。图1.2.1电压源型三相逆变器的主电路拓扑结构图图1.2.1为单台微电源三相桥式逆变器的模型，图中使用了直流电源代替微电源，系统中的等效微电源产生的直流电经过逆变器后转变为三相对称的交流电。图1.2.1中的分别为经过三相桥逆变后输出的三相电压；分别为滤波器模型中的滤波电感和滤波电容，分别为流经滤波电感的三相电流；分别为经过滤波器后输出三相电压；分别为从逆变器流向负载的三相电流。上述拓扑图中逆变器输出电压方程为：（1.2.1）其中：为逆变桥出口处的相电压的幅值。滤波电感电压方程为：（1.2.2）滤波电容电流方程为：（1.2.3）式中，为滤波器的单相电感；为滤波器的单相电容。将式（1.2.2），（1.2.3）组合成一个矩阵表达式为：（1.2.4）1.3滤波器的设计由于三相逆变器采用SPWM技术驱动晶闸管，其输出中会掺杂许多高次电压谐波，为了解决这些问题，在微电网电路中增加滤波电路来降低输出中电压谐波含量的同时保证负荷的电能质量。通常采用的滤波器按元器件类型来分主要有型、型、型。其中型滤波器结构最为简单，但是为了减弱开关损耗和电磁干扰对系统的影响，通常都是需要设定较小的开关频率来实现的，并且在逆变器并网时，一般滤波器通过增加电感的设计值来达到谐波抑制的目的，不仅控制难度较大，而且成本和损耗比较高。若选择参数选取相对繁杂的型滤波器时，需要系统符合若干个条件并避免发生谐振现象。三相桥式逆变器控制系统经派克变换变为旋转坐标系统，导致滤波器耦合关系混乱，很难实现解耦控制[1]，同时型滤波器也拥有极大的控制难度、造价非常高等问题。型滤波器仅需要一组电感，成本降低，控制简便。同时具有运行可靠性高、运行费用较低等优点。权衡多方面因素，如控制系统简易程度与系统谐波抑制能力，本文最终选择采用型滤波器。本文采用的是二阶低通滤波器来进行滤除谐波，并在进行滤波器参数选择时，将以下几点作为前提条件：三相桥式逆变器中的电容元器为理想电容，电感元件为理想电感而且各电感间不存在耦合。一般通过以下几点要求选择滤波电感值与和滤波电容值:(1)尽量减小电感造成的基波压降；(2)尽量减小电容造成的基波电流；(3)逆变器产生的低次谐波频率不能和电感与电容的串联时产生的谐振频率相互重叠。图1.1.1LC滤波器工作原理图图1.1.1为LC滤波器的工作原理示意图，当方波信号输入系统并经过滤波器进行滤波后输出为正弦信号。往往在系统中会加入比较小的电阻R，目的是规避滤波器发生振荡的可能。LC滤波器的传递函数为：（1.1.1）式中，为自然振荡角频率，且；为阻比，且。则LC滤波器的截止频率为：（1.1.2）LC滤波器的截止频率选择原则是远大于基波频率且远小于SPWM电压中所含有的最低次谐波频率2，工程上一般选取为：（1.1.3）式中，为调制波频率；为SPWM载波频率。滤波器中的电感值大小影响着逆变器的等效输出阻抗，在选择频率为截止频率时，滤波电感与滤波电容值之积为恒定不变的值，即滤波电容选取过小，则滤波电感值会选取的非常大，这样在海岛微电网系统中输出电压会大大降低影响电能质量。所以滤波电容参数与滤波电感参数的选择要多方面来考虑。等效输出阻抗会随着滤波电感参数值选取的变化而变化，同时海岛微电网系统中的滤波电感也会造成电压降落。通常要使电压降落限制在3%-5%，谐波的有效值要限制在逆变器容量的10%-20%，这样就可以防止保护装置的误动。滤波器中电容参数值的选择要限制在逆变器总容量的以内。经多方面的考虑本文最终参数选取为：，，。1.4派克变换的原理电力系统中逆变器的输出电压和电流是随时间不断变化的对称三相交流变量，研究系统中任意一个状态时都需要对A、B、C三相变量进行合理探讨，虽然其数学模型简单明了，但是使得微电网在进行下垂控制时过程更加复杂，计算难度加大。这样非常有必要将静止坐标系下的交流量转变为两相旋转坐标系下的直流量进行分析，在三相对称系统中只需要一相便可以确定三相交流量的幅值和大小，这样使得系统中的变量个数减少，也方便对控制系统进行设计，派克变换的中心思想是将交流电机的物理模型等效为直流电机模型。引入了派克变换后使得三相时变量变为恒量，三相电路中的电压电流可以在轴下进行投射计算，这样大大简化了计算。图1.4.1坐标图如图1.4.1可知，根据矢量的线性叠加原理，任意时刻ABC坐标系下的变量、、，可以通过矢量分解投影到坐标系下的，，且、合成的矢量与、、的合成矢量相同，经公式推导可得变换公式：（1.4.1）由于坐标系与坐标系为旋转变换关系，经公式推导可得变换公式，其中变换系数为：（1.4.2）上图中的到的矩阵变换关系可以写为:（1.4.3）也可推出由到的矩阵变换关系为:（1.4.4）经过坐标系等量变换，式（1.2.4）经过矩阵变换后在旋转坐标系下的表达式为：（1.4.5）式中：、为滤波器电感电流的轴分量；、为线路电流的轴分量；、为滤波电感电流的轴分量；、为三相桥臂电压的轴分量。综上所述，可以得出三相逆变器在坐标系下的控制框图，如图1.4.2所示：图1.4.2旋转坐标系下三相逆变器的结构框图可见逆变器dq轴分量相互耦合。但是矢量在dq轴上的分量与时间无关，只与初始状态相关。因此，在dq坐标系下可以用调节器跟随给定值。但是要实现精确控制，还需要对dq轴分量进行解耦[3]。1.5功率控制模块分析与设计功率控制由三个模块组成，包含瞬时功率计算、下垂控制、参考电压合成。瞬时功率计算环节把海岛微电网系统中的输出电压和输出电流值进行计算，接着通过方程公式计算得到系统输出瞬时有功功率与无功功率的大小。系统输出瞬时有功功率和无功功率与下垂控制的给定有功功率和无功功率作差得到有功功率和无功功率差额，将所得到的有功功率和无功功率差额代入下垂控制公式方程，得出系统的电压幅值差额与频率差额。接着将电压幅值差额和频率差额与系统给定的电压幅值和频率进行合成，获得到系统参考电压幅值和频率大小。最后将参考电压幅值和频率大小合成为最终的系统参考电压向量。精确计算出逆变器输出的有功功率和无功功率是逆变器可靠稳定控制的先决条件。根据瞬时有功、无功功率理论，当输出电压与输出电流处在dq旋转坐标系时，瞬时有功功率和无功功率的计算式如下所示:(1.5.1)在系统中还需要加入一阶低通滤波器对输出的瞬时功率中含有的谐波进行过滤，于是将海岛微电网中瞬时功率滤波后得到基波的平均功率作为下垂控制环节中功率的输入量：P=ωcs+通过获得微电网系统中的输出电压值和输出电流值计算得出的逆变器输出功率，后经滤波器以及下垂控制公式方程，得到系统参考电压幅值和系统参考频率，最后将系统参考电压幅值和系统参考频率合成为坐标系下的参考电压，然后将得到的参考电压经过派克变换，变换为坐标系下。于是得到了电压电流双环控制系统的d轴电压，轴电压。图1.5.1功率控制结构图1.6电压电流双闭环控制分析与设计三相逆变器的稳定运行离不开控制器合理准确的设计[4]，为提高系统对电源及负荷变化的反应能力，在三相逆变器中，应用电压电流双闭环控制来提高系统的实时性，同时对于非线性负载对系统产生的影响也会有一定程度上的削减作用，使电压波形的畸变率降低。在三相桥式逆变器的数学模型中，系统的d轴分量与q轴分量依旧大量存在着耦合[5-6]，不经解耦就直接控制无法得到预期的结果，因此为达到良好的控制效果，需要设计合理的解耦控制器以实现d，q分量的独立精确控制，需要合理的设计控制系统来进一步的对两个量进行解耦分离，之后再进行独立控制。除了目前应用最为广泛的电压电流双闭环控制策略，现在的海岛微电网控制策略均能达到预期效果[7]。电压外环电流内环的双闭环控制策略能实时对系统作出动态调整，其中电容电压反馈作为外环控制环节、电感电流反馈作为内环控制环节。双闭环控制能够提高系统的实时性和系统对外界变化的反应性能力，同时也会一定程度上削弱系统中对于非线性负载产生的影响，减小了电压波形的畸变。电压电流双环控制可以根据电流环电流参考值选择的不同分为两种控制方式:电压电容电流双环控制与电压电感电流双环控制[8]。本文最终选择电感电流作为电流反馈环控制量的电压外环电感电流内环的控制方式，是由于滤波电感电流可以被精确测量并传输，而且受系统的阻抗参数影响不大。系统中我们选择在电压外环控制系统中采用比例积分控制来使输出电压可靠稳定，在电流内环控制系统中选择比例控制来使得三相桥式逆变器控制系统能快速动态调整。将式（1.6.1）展开表示为：（1.6.1）通过观察式(1.6.1)可以发现d轴分量和q轴分量之间存在着耦合，为达到解耦的目的消除其他变量产生的影响，先将表达式转变为:（1.6.2）电压外环通过增加比例积分调节器来提高系统的稳态精度，比例积分调节器的比例增益用表示，积分增益用来表示，可得比例积分调节器的传递函数为:（1.6.3）故经过PI调节器后的电压外环输出信号为:（1.6.4）式中，、为经下垂控制电压参考值的、轴分量；、..为电压外环比例积分的比例积分系数。电流内环的控制要使系统的响应速度提高为目标，为此，对其采用比例控制器，如下所示: