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不平衡电网下基于虚拟同步发电机的并网逆变器控制策略探讨

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  • 用途: 硕士毕业论文 Master Thesis
  • 作者:上海论文网
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  • 论文字数:27552
  • 论文编号:el2021112820181125973
  • 日期:2021-11-28
  • 来源:上海论文网

电力论文哪里有?本文以 VSG 技术为基础,针对不平衡电网带来的有功、无功功率波动和电流不平衡的问题,提出了一种不平衡电网条件下基于 VSG的功率波动补偿控制策略。通过理论推导、仿真和实验验证。


1  绪论


1.2  国内外研究现状

1.2.1 虚拟同步发电机研究现状

前期,国内外学者提出了多种模拟 SG 的方案。1997 年,IEEE 工作组对静止同步发电机的基本概念进行阐述,为以后 VSG 的提出奠定了思想基础。文献【10】实现了分布式发电单元进行一次调频的控制,但是并未考虑惯性以及控制算法对输出电压的调节。文献【11】提出了 VISMA 方案,通过深入分析并网逆变器以及 SG 的基本原理,实现了并网逆变器对 SG 的惯性、调压和调频特性的模拟,但是由于该种 VSG 技术控制的变换器以电流源形式输出,所以缺少对电网电压的支撑,更不能应用在孤岛模式。文献【12】建立了 VSG 的二阶模型,不仅模拟了 SG 的机械特性、电气特性,还模拟了 SG 的电磁特性,使并网逆变器的性能与 SG 更为类似,并且是以电压源的形式输出,在孤岛和并网模式下均可良好运行。至此,VSG 的基本理论已经建立,为以后 VSG 各方面性能的提升奠定了基础。

由于平衡电网下 VSG 理论是不平衡电网条件下 VSG 研究的基础,因此,有必要对平衡电网下 VSG 研究现状进行介绍。在平衡电网条件下,国内外学者主要对 VSG 的建模,稳定性分析,参数设计,动稳态性能方面进行研究。文献【13】给出了 VSG 小信号模型,简化了 VSG 参数的设计,并指出有功环传递函数的截止频率应该远小于 100Hz,这样可以实现 VSG 有功环和无功环解耦的目的,从而减小了 VSG 输出电压的畸变。文献【14】建立了 VSG 输入阻抗模型,分析 VSG 稳定性问题。为 VSG 参数优化设计奠定了理论基础。文献【15】指出虚拟惯量的引入会给系统带来时滞问题,建立了 VSG 系统整体状态空间模型,并利用  Lyapunov 定理得出在时滞和参数不确定条件下的稳定约束条件。文献【16】利用传递函数对 VSG 的稳定性进行分析,指出阻尼与虚惯量比值是 VSG 的重要参数。文献【17】分析了 VSG 参数、积分系数以及低通滤波器参数之间的本质关系,简化了 VSG 参数的设计。在此基础上,提出了一种频率响应可估计的 VSG 控制策略。文献【18】为了提高 VSG 对电网频率支持的快速响应,通过瞬态能量分析,实现了  VSG 运动方程转动惯量参数的实时控制,该策略不仅提高了 VSG 单元的稳定性,还提高了微网中邻近机组的稳定性。

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3 不平衡电网下虚拟同步发电机并网逆变器控制策略研究


3.1  不平衡电网对传统虚拟同步发电机系统的影响

当电网不平衡时,电网电压中会包含负序电压,从而使三相电流中出现负序电流,进而导致三相电流不平衡。不平衡电压和不平衡电流的相互作用,又会导致并网功率的波动,因此,不平衡电网对逆变器的运行产生了严重的负面影响。下面对上述现象产生的原因进行理论推导。

由于并网逆变器的容量是有限的,当并入无穷大电网时,可以认为电网是个恒压源。在不平衡电网的条件下,逆变器也很难改变电网电压,因此可以认为电网电压 ug 不可控。在公式(3-9)中,除了电压 ug 的正、负序分量之外,公式中只剩下电流量和功率量,文献【46】通过控制并网电流实现了提高并网电能质量的目的。而本课题是从另一个角度出发,即通过控制并网逆变器的并网功率,提高并网电能质量,并且通过理论推导,消除了文献【46】方案中电压电流的正、负序分量,省去了文献【46】中电压电流的正、负序提取,在一定程度上简化了控制算法。

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4  实验研究


4.1  实验平台介绍

实验平台以三相并网逆变器作为主电路功率拓扑,将新能源发的电能送到电网或者为本地负载供电。由于实验条件限制,用三相不控整流产生的直流电模拟新能源提供的电能,直流电压的大小可以通过调压器调节。由于本课题要对不平衡电网条件下 VSG 的控制策略进行研究,为了能够得到不平衡电网的工况,  通过单相调压器将电网变为不平衡电网。

对于实验平台的控制部分,主要包括电压、电流 AD 采样调理电路,DA 输出电路,过压、过流保护电路,数字量输出电路,IGBT 驱动电路,以及控制顶板,其中控制芯片采用的是 TMS320F28335,数字量输出电路主要功能是传输并网继电器的控制信号。实验平台如图 4-1 所示。

QQ图片图 4-1 VSG 实验平台

图 4-1 VSG 实验平台

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4.2  控制软件设计

控制软件设计主要包括 DSP 的配置和控制算法两部分,在主程序中主要实现 DSP 的配置和变量初始化,在中断服务程序中主要实现 VSG 算法、波动功率补偿算法和并网预同步控制算法等。对于 DSP 的配置主要包括时钟配置,中断配置,XINTF 地址数据总线接口配置,GPIO 配置,ePWM 配置等,其中 XINTF 的功能主要是与外扩的 ADC、DAC连接。控制算法主要包括三相电压、电流采样程序,并网预同步程序,并网合闸信号程序,波动功率补偿程序,VSG 控制算法程序以及 SVPWM 发波程序。对于试验台的电压电流的保护通过硬件电路实现,不需要进行程序设计。

图 4-2 为主程序流程图,在程序的开始,首先关闭中断,防止在 DSP 配置以及变量初始化时误触发中断,使 DSP 引脚输出错误的电平信号。在 DSP 配置以及变量初始化完成后,开启中断,进入 while 循环等待中断,当中断时间到时,开始执行中断服务子程序,执行完中断服务子程序后,返回主程序中的 while 循环再次等待中断的来临,然后一直循环下去,直到停机运行。

图 4-3 为中断服务子程序,当中断来临时,首先对电压、电流进行采样,然后通过计算得到有功、无功瞬时功率以及三相电压幅值,为 VSG 算法提供输入。此时判断是否并网,若不并网,则为孤岛运行。若并网,则执行预同步控制算法,当逆变器输出的电压和电网电压的差值满足并网条件时,产生继电器合闸信号,使得并网逆变器完成并网过程,否则为孤岛运行。当成功并网后,会执行波动功率补偿算法,获得补偿电压值,将其送入VSG 算法,在 VSG 算法执行后,便可以得到电压参考值,最后通过 SVPWM 产生 PWM控制信号,返回主程序,等待下次中断产生。

图 4-2  主程序流程图                     4-3  中断服务子程序流程图

图 4-2  主程序流程图                     4-3  中断服务子程序流程图

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5  结论与展望


5.1  结论

化石能源日益短缺,促使了新能源的开发利用。在“零排放”、“碳中和”的大背景下,通过新能源发电的比例必将大幅增加。如何将新能源发的电能安全、可靠、友好地并入电网,已经成为如今的热门研究方向之一。因此本文以 VSG 技术为基础,针对不平衡电网带来的有功、无功功率波动和电流不平衡的问题,提出了一种不平衡电网条件下基于 VSG的功率波动补偿控制策略。通过理论推导、仿真和实验验证,可以得到以下结论:

(1)  从 SG 出发,给出了 VSG 模拟 SG 的惯性、阻尼特性和电气特性的原理,分析了 VSG 无功-电压调节和有功-频率调节过程。建立了 VSG 的二阶数学模型,得到了VSG 的系统控制框图,并在 MATLAB 中对 VSG 的孤岛模式和并入平衡电网模式进行仿真分析,验证了所搭建的 VSG 具有 SG 的特性。然后,分析了 VSG 并入不平衡电网条件下时,有功、无功功率波动和电流不平衡产生的原因,并给出了对应的仿真结果。

(2)  针对不平衡电网下并网电能质量恶化的问题,提出了一种不平衡电网条件下基于 VSG 的功率波动补偿控制策略。该方法在维持传统 VSG 特性不变的情况下,增加了功率补偿通道,减小了功率直流量和波动量之间的相互影响。与基于负序电流控制的策略相比,提出的控制策略是从功率补偿角度出发,更有利于获取参考量计算所需要的并网功率直流量,同时,通过引入电网电压的 1/4 周期延迟矢量,消除了传统方案中的正负序分量,因此不需要正负序提取,相对简化了控制算法。最后通过三种控制目标加权的思想,给出了加权后的参考功率表达式,为实现更加灵活的控制提供了理论指导。

(3)  在 MATLAB 中进行仿真验证,通过两种不平衡 VSG 控制策略与传统 VSG 并入不平衡电网相比,两种不平衡控制策略都可以在减小有功、无功波动的同时改善电流的不平衡度,具有较好的控制效果,说明了不平衡控制算法的优越性。提出的方案与基于负序电流控制的策略相比,两种方法具有近似的效果,但是提出的方案在抑制功率波动方面有更好的效果,并且控制算法更加简洁。

(4)  最后搭建了 VSG 实验平台,完成了 VSG 在孤岛模式、并入平衡电网条件下的相关实验,验证了所搭建的 VSG 算法的正确性。此外,完成了提出的方案、基于负序电流控制的方案,以及传统 VSG 在不平衡电网条件下的相关实验,实验结果与仿真结果近似一致,验证了所提功率波动补偿策略的正确性和有效性。

参考文献(略)

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