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微电网电能质量分层控制电能质量一次调节-本地控制

2022/07/13105 作者:佚名
导读:微电网电能质量的本地控制是通过发电侧并网变流器的合理调节来实现本地非线性或不平衡负载电流的就地补偿,避免了污染网侧电流电压;同时VCM控制下的电压源型逆变器还能够有效提高孤网以及弱电网条件下的负载侧电压质量 。 微电网电能质量分层控制电压谐波与不平衡补偿策略 在微网与配电网中,主要考虑的电能质量问题包括电压幅值、频率以及谐波与不平衡。电压幅值与频率的二次恢复已有非常可靠、成熟的方法来解决;而电压谐

微电网电能质量的本地控制是通过发电侧并网变流器的合理调节来实现本地非线性或不平衡负载电流的就地补偿,避免了污染网侧电流电压;同时VCM控制下的电压源型逆变器还能够有效提高孤网以及弱电网条件下的负载侧电压质量 。

微电网电能质量分层控制电压谐波与不平衡补偿策略

在微网与配电网中,主要考虑的电能质量问题包括电压幅值、频率以及谐波与不平衡。电压幅值与频率的二次恢复已有非常可靠、成熟的方法来解决;而电压谐波及不平衡的问题则更加棘手,尤其在中小型电气系统中,不平衡与非线性负载的存在会明显地导致电压质量的恶化。在此情况下,并网逆变器需要能够对正序及负序的各主要谐波次分量进行控制,以实现电压质量的有效提高。

在基于分布式发电的微网系统中,低电压穿越( low voltage ride-through, LVRT)、网侧电流质量以及并网点(或关键负载点)电压质量为主要考虑的指标。而通过使用并网逆变器进行电能质量调节的方法主要源自于APF的相关技术,尤其是基于模拟电阻的谐波抑制方法。因此,此方法不仅提高了电压质量,也增加了系统阻尼,非常适用于微电网的应用场合。模拟电阻法首先通过Park变换以及高通滤波器( high pass filter, HPF)提取输出电压的交直轴谐波分量;该谐波分量再被逆变为三相交流信号,并与一个比例系数相乘。依此控制方法,整个控制系统将APF模拟为一个针对该次谐波的电阻以作抑制。

基于模拟电阻回路原理的APF原理可以直接应用于工作在CCM的并网电压源型逆变器,因为二者只需要单电流环控制,结构相似。但考虑到微电网应用背景下VCM并网电压源型逆变器的广泛应用,该方法需要进行一定改进。基于这个目标,有文献提出了改进方法,实现了在对输出电压/频率进行控制的前提下同时进行谐波补偿的功能。

类似的,这种方法也可以应用于三相电压不平衡补偿。在微网背景下,有文献提出了一种利用并网变流器的控制来将分布式发电系统模拟为负序导纳的方法,以降低微网负载端的电压不平衡。这个负序导纳的数值由各分布式发电系统容量决定,可合理地分配负序功率。

虚拟阻抗的方法也可以在两相旋转坐标系下实现。有文献提出了一种混合虚拟阻抗方法,其正序基频分量使用阻感性虚拟阻抗,负序及谐波次分量使用阻容性虚拟阻抗。

基于模拟电阻原理的APF方法可直接适用于CCM工作的VSI,而经过改进与集成后,也可以用于VCM工作的电压源型逆变器,并与其原有控制环路(如有功及无功下垂控制等)有效集成,在保证并网逆变器输出定量有功和无功的前提下,同时具有电能质量调节功能。

微电网电能质量分层控制低电压穿越LVRT

LVRT表示发电机在网侧发生故障导致电压下降的情况下保持短时间持续联网,以保证电网有足够的时间做出保护动作。这一特性能够避免电网多米诺效应而最终导致全网失电。针对这一特性,各个国家和地区都制定了相应标准。

在光伏系统中,其LVRT主要是通过控制并网逆变器的输出电流来实现的。电流的相位通过锁相环与电网电压同步,电流内环跟踪外环电流给定确保精确的功率和电流控制。正常运行模式下,光伏系统工作在最大功率点跟踪(maximum powerpoint tracking, MPPT)模式;在网侧出现电压下降状况时,MPPT模式应迅速切换为低电压穿越模式,否则将出现过流现象。一些既有的控制方法很好地实现了LVRT的基本功能,并同时优化了其他目标,如恒定有功输出、恒定有功电流输出等。再者,在三相系统中,考虑到低电压故障可能是非对称性短路故障,因此正序和负序电流需要同时控制,以保证此工况下的系统安全。正、负序电流的同时控制通常通过两个并行的控制回路来实现,它们分别工作在正序和负序同步旋转坐标系下;而正、负序电流参考主要根据控制目标来计算,如恒定无功支撑和电压幅值平衡等。除此以外,还有一些智能控制方法,例如基于Takagi-Sugeno-Kang型模糊神经网络控制;使用人工神经网络的矢量控制。因这些智能控制方法的复杂度高,故尚未得到广泛应用,而随着数字控制芯片计算能力和速度的升级,期待这些方法能够有更多的应用空间。

类似地,在风能变换系统(wind energy conversion systems, WECS )中,LVRT也是通过并网变换器的电流控制来实现的。基于双馈感应发电机(doubly fed induction generator, DFIG)的WECS是市场中使用最广泛的,其定子直接与电网相连,而其转子通过背靠背的变换器与电网相连。在网侧电压下降时,如没有可靠的保护控制机制,其风机感应发电机会出现过热、转矩波动以及感应电动势较大状况,若继续持续工作,将会影响风机系统安全以及寿命。传统的方法是通过短路转子线圈而使风机脱离电网,但此时电网在故障下将得不到风机发电系统的支持,有可能导致更大的区域失电,这种应对策略在现行的大部分电网标准中是被禁止的。另一种方法是通过合理地控制网侧变换器来实现LVRT。各种不同的控制策略可以集成于WECS中以实现一些基本的控制目标,如 :

(1)保持有功恒定(消除有功三角函数变量部分);

(2)保持无功恒定(消除无功三角函数变量部分);

(3)消除负序电流分量。

基于Crowbar电子保护装置的典型风机并网变换器结构 一种电子保护装置(Crowbar)也被安装在该系统中,如图《基于Crowbar电子保护装置的典型风机并网变换器结构》所示。其原理是通过短路转子绕组来吸收转子侧变换器的故障电流。

有功与无功基本控制环 上述LVRT方法均只适用于CCM下工作的VSI。近年来,以VCM模式工作的VSI因其可以更好地稳定电网电压和频率也被越来越多地应用在分布式发电系统和微网系统中。有研究给出了一种基于下垂控制的光伏系统,并在其基本控制策略之中集成了电能质量调节的功能,使得该并网逆变系统能够根据电网电压的下降程度准确地注人有功和无功。其电压给定计算控制环如图《有功与无功基本控制环》所示。但因其为单相交流系统,该文献并没有考虑三相非对称性故障模式和负序分量的控制。

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