技术分享 | 多台双向变流器并联下垂控制策略研究
发布时间：
2021-08-31 09:54
来源：
原创
一、背景
由分布式发电单元(DG)所构成的清洁环保,灵活可靠的微电网系统逐渐成为各国大力研究的热点。微电网系统可以工作在两种不同的模式,分别为并网运行模式与孤岛运行模式。其孤岛运行模式相当于一个自给自足的系统,不需要大电网支撑便能维持一定规模的系统稳定运行。然而,当微电网工作在孤岛模式时,由于系统存在很大的随机性,例如分布式发电源功率的波动性、线路阻抗和负载属性的不一致性,母线电压不理想等问题,失去大电网支撑的微电网逆变器必须具备很强的适应能力来维持孤岛系统的安全可靠运行。较为简单的微电网孤岛运行控制策略会采用主从方式，即某个设备采用V/F控制，来稳定母线电压，而其他设备采用P/Q模式运行，此时若工作在V/F模式下的设备出现故障时，系统中所有设备都会自动退出运行，导致系统瘫痪，除此之外系统中而且很难实现设备的即插即用功能。为了解决这个问题，可以采用下垂控制策略，这样系统中各个设备不再分主从模式，各个设备会根据各自的下垂特性自行出力，这样系统不会因为某个设备出现故障而瘫痪，同时也很容易实现设备的即插即用功能。
二、硬件简述
实验系统中功率模块采用四台研旭YXPVD015K高压可编程直流电源和四台三相三电平变流模块YXPHM-TP310b，控制器采用研旭成熟的BOX1000。其整体控制系统搭建拓扑如下图1所示。
图1 系统拓扑图
三、功能简述
设备可以设定为PQ模式以及下垂模式，其中PQ模式只能运行在并网条件下，而下垂模式既可以工作在并网条件下也可以工作在离网模式下。
并网运行：当设备与主网连接时，此时设备工作在PQ模式下时，只需要设置P或者Q值，设备即可完成对应功率的运行，设定的功率正负值来决定设备能量的流动方向。在并网运行时，可以切换设备为下垂工作模式，在下垂模式下，用户只能通过设定频率值来决定能量的流动方向，只有频率设定值高于当前电网频率值时，设备才可以将能量馈入主网。两台设备都可以同时设置为下垂模式运行，互不干扰。
离网运行：当设备与主网断开时，设备必须工作在下垂模式下，一旦设备工作在下垂模式下时，两个设备都可以为负载供电，此时可以通过设定下垂系数决定各自的出力比例。若两台设备下垂系数设定一致时，此时两台设备平分负载功率，若某一台的下垂系数设定大时，此时该台设备会出力增加，另外一台会对应减小。在离网运行模式下，可以先启动一台设备带载，然后在启动另外一台设备，完成即插即用功能的测试。
四、算法简述
PQ控制算法在此不多做介绍，此章节主要介绍下垂控制算法。下垂控制就是选择与传统发电机相似的频率一次下垂特性曲线作为DG的控制方式，即分别通过P/f下垂控制和Q/V下垂控制来获取稳定的频率和电压，这种控制方法对微源输出的有功功率和无功功率分别进行控制。下面方程表示微源电压频率和幅值的下垂关系：
其中ωo为额定角频率，Uo为额定电压，kp和kq为逆变器的下垂系数，P和Q为逆变器实际输出的有功和无功功率，Po和Qo为逆变器的额定有功和额定无功功率值。下算法框图为下垂控制的主拓扑图。
图3 下垂算法拓扑图
4.1 有功-频率控制
有功-频率控制实际上用于表征有功功率与系统频率的下垂特性。下图为有功功率与频率的特性曲线图：由此可知，随着P的增加，ω值会有所下降，而随着P的减小，ω值会有所上升，图中的曲线斜率即为下垂频率特性系数。所以多台设备并联为负载供电时，各个设备的出力多少由此特性系数决定。
图4 P/f特性曲线
4.2 无功-电压控制
无功-电压控制用以实现无功功率和电压幅值的下垂特性。无功-电压控制主要根据微源输出电压幅值偏差与无功功率调整输出电压。其特性曲线如图5所示：随着Q增大，电压U会下降，反之U会上升。图中曲线的斜率即为下垂电压特性系数。
图5 Q/V特性曲线
五、测试实验
两台储能变流器并机运行实测
1、并网PQ模式，两台变流器工作在传统的并网PQ模式下，分别设定两台DCAC的有功功率分别是5kw和8kw。变流器会根据设定功率稳定输出。
2、并网下垂模式，分别设定两台变流器的频率值高过50Hz,设置50.15和50.25两组数据。此时变流器工作功率与设备的频率设定值呈线性关系，可以看到同样的工作状态下，两台变流器的出力不同。
3、并网下垂模式下转孤岛运行模式，并网时同时连接三相负载，将电网开关断开，瞬间电压变化情况，变流器输出平稳转化。
4、孤岛下垂模式，连接三相平衡负载，设置设备1下垂系数为0.0002，设置设备2下垂系数为0.0001，观察设备功率输出的特性。可以看出不同的下垂系数的控制下，变流器的出力是不同的。
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