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合肥工业大学-微网逆变器不平衡电压协调补偿边界分析与计算

用户与研究成果简介:

合肥工业大学赖纪东科研团队提出了一种不平衡电压协调补偿边界定量计算方法,该方法从微网逆变器端口和PCC电压不平衡协调补偿机理入手,在讨论不平衡电压协调补偿影响因素的基础上,详细分析推导了协调补偿边界条件,并以微网逆变器端口电压不平衡度与PCC电压不平衡度为约束条件,求解出微网逆变器协调补偿临界电流值;研究利用上海远宽的StarSim电力电子小步长实时仿真器进行实验,通过实验结果验证了协调补偿边界理论分析及所提方法的正确性和有效性,并把成果总结发表于《电力系统自动化》:

赖纪东,徐洁洁,苏建徽,谢天月,崔玉妹.微网逆变器不平衡电压协调补偿边界分析与计算[J/OL].电力系统自动化. 已录用.


课题研究背景



微网逆变器不平衡电压协调补偿边界研究意义与现状

微电网在孤岛运行时,由于缺乏大电网的支撑,网内母线及各节点电压和频率需完全由网内各逆变器共同支撑。尤其是在大量单相负载或三相不对称负载接入时,网内不平衡电流易造成电压不对称,影响系统电压质量,严重时甚至会引起系统失稳。因此,孤岛运行模式下微电网电压不平衡补偿,是一个事关网内供电电压质量及系统稳定性的关键问题。


现有研究在逆变器端口电压不平衡控制、PCC电压不平衡控制以及端口与PCC电压不平衡协调控制等方面提出了较多解决方案。但它们主要是从控制策略角度出发,主要关注的是协调控制方法且考虑负载不平衡度较小情况。然而在负载严重不平衡条件下,即使逆变器剩余容量充足,也可能出现无法实现协调补偿的情况。为此,从微网逆变器协调补偿能力的角度出发,分析微网逆变器不平衡电压协调补偿边界条件是十分有必要的。


研究重要内容和创新点



微网逆变器不平衡电压协调补偿机理

在进行微网逆变器不平衡电压协调补偿边界分析时,首先分析不平衡电压协调补偿机理。逆变器为一等效受控电压源,因而可通过内电势叠加,注入合适的负序内电势来补偿输出阻抗或线路阻抗产生的负序压降,实现对逆变器端口及PCC的不平衡电压补偿。如图所示为单台逆变器带负序电压补偿的负序等效电路:

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若想实现端口不平衡电压的完全补偿,则逆变器只需要补偿掉滤波阻抗上的负序电压,此时PCC负序电压大小完全由线路阻抗和负序电流决定。类似的,若想实现PCC电压的完全补偿,则逆变器不仅需要补偿掉滤波阻抗上的负序电压,还需要补偿掉线路阻抗上的负序电压,此时端口负序电压大小也完全由线路阻抗和负序电流决定。因此,在补偿端口或PCC 不平衡电压时,另一节点的电压不平衡度会受线路阻抗和不平衡电流大小影响,当线路阻抗较大或负载严重不平衡时,其电压不平衡度可能超过限定范围。


微网逆变器不平衡电压协调补偿边界分析

通过对不平衡电压补偿机理的分析可知,在逆变器端口负序电压满足不平衡度要求条件下,线路阻抗上的负序压降成为影响PCC负序电压的主要因素。为此,从线路阻抗负序压降入手,分析实现逆变器端口和PCC不平衡电压协调补偿的边界条件。


首先假设负序电压、电流矢量以ω的角速度顺时针旋转为正方向,画出负序电压、电流矢量图,如下左图所示。接着为了限定逆变器端口负序电压和PCC负序电压的允许范围,在左图基础上添加两个负序电压极限圆,具体如下右图所示。此时端口负序电压和PCC负序电压的终点均落在各自的圆内,逆变器端口和PCC负序电压均可协调在允许范围内。


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为了分析逆变器实现不平衡电压协调补偿的临界状态,基于矢量的三角形定则,对上述负序电压、电流矢量图中PCC负序电压进行平移,将判断逆变器能否实现不平衡电压协调补偿的问题转化成两圆之间是否存在交集的问题进行分析,分别给出不同线路阻抗负序压降下逆变器端口和PCC不平衡电压补偿的可协调状态、不可协调状态以及协调补偿临界状态,如下图所示。最后基于协调补偿临界状态推导出微网逆变器不平衡电压协调补偿边界条件。


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注:微网逆变器不平衡电压协调补偿边界条件的具体分析详见合肥工业大学赖纪东科研团队发表的文章。


基于实时仿真器的算法验证



基于实时仿真的微网逆变器不平衡电压协调补偿边界验证

为进一步验证推导的协调补偿边界的正确性,并考虑到微电网中存在多台微网逆变器的情况,本文搭建了半实物仿真实验平台,并以两台逆变器并联后接不平衡负载为例进行验证,其中两台逆变器采用下垂控制,主电路参数和控制器参数均与仿真相同。基于半实物仿真平台,本文通过改变相间负载来模拟不同程度的不平衡负载情况,分别验证各逆变器在协调补偿临界状态、可协调补偿状态以及不可协调补偿状态下的协调补偿效果,以此实现对微网逆变器不平衡电压协调补偿边界的实验验证。一般来说,微网电压不平衡这种实验一般较难在实物系统上实现,且电压不平衡时某相电流或者某两相电流可能会较大;纯软件仿真难以反应出真实控制器中的延迟和有限精度,同时仿真多台逆变器时对计算机的性能要求较高。实时仿真器可以同真实控制器连接,又不会有故障实验危险的问题,并且仿真多台逆变器所需性能比基于CPU的软件仿真要小,是微网逆变器不平衡电压协调补偿边界验证的理想测试设备。


任意拓扑小步长实时仿真对于微网逆变器不平衡电压协调补偿边界验证的重要性

电力电子系统通常含有高速动作的开关元件,其实时仿真有一定挑战,通常有两种方法来实现电力电子系统的实时仿真,一种是基于PWM占空比测量的平均值大步长方法,一种是基于细节模型的小步长实时仿真。


对于微网逆变器不平衡电压协调补偿来说,它需要检测到瞬时电路反应,而不是经过大步长平均的信号,因此基于PWM占空比的平均值大步长方法不适用于此研究。同时实时仿真器要能够仿真多台逆变器,要求具有一定的性能,并能够仿真各种故障工况。


远宽能源(www.modeling-tech.com)提供的StarSim实时仿真器,基于电力电子器件的细节模型,利用最新的FPGA技术,可以实现1微秒步长、任意拓扑、任意工况的电力电子系统实时仿真,被广泛应用于牵引供电系统故障诊断、控制策略验证、可再生能源并网、电机驱动等的实时仿真中;合肥工业大学赖纪东科研团队就采用了StarSim电力电子实时仿真器来进行所提出的不平衡电压协调补偿边界定量计算方法的试验验证。


下图是HIL+DSP测试平台示意图,其包括实时仿真系统HIL和DSP28335控制板, 其中电力电子系统是利用StarSim FPGA Solver按1微秒的步长实时仿真;控制算法模型运行在DSP28335控制板上,实时仿真器和DSP28335控制板通过真实的物理IO互连。


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下图为各逆变器线路阻抗负序电流幅值、协调补偿边界以及端口和 PCC 电压不平衡度的实验波形。

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从图中可以看出不同程度不平衡负载情况下各逆变器的协调补偿效果均符合上述理论分析结果,验证了微网逆变器不平衡电压协调补偿边界推导的正确性和有效性。

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