新聞主題	發(fā)電機并聯(lián)系統(tǒng)的功率分配研究

 

摘要：通過對同步發(fā)電機下垂特性和轉(zhuǎn)動慣量等外特性的模擬，分布式逆變單元可表現(xiàn)出同步發(fā)電機特性，針對虛擬同步發(fā)電機（VSG）并聯(lián)系統(tǒng)的功率不能合理均分和環(huán)流等問題，根據(jù)下垂方程和有功頻率下垂控制的單臺小信號方程推導(dǎo)了VSG并聯(lián)系統(tǒng)的功率均分公式，此種參數(shù)設(shè)計公式對于相同和不同容量的VSG并聯(lián)系統(tǒng)同樣適用，且在暫態(tài)和隱態(tài)情況下都可實現(xiàn)VSG按自身容量分配功率。仿真和實驗結(jié)果表明，按照本文所提出的功率均分公式設(shè)計并聯(lián)VSG參數(shù)，可實現(xiàn)相同和不同容量并聯(lián)VSG系統(tǒng)的功率均分。

 

一、虛擬同步發(fā)電機基本原理

 

       如何實現(xiàn)多臺VSG之間合理均攤負(fù)載功率，且實現(xiàn)“能者多勞”和“按需分配”是本文研究的重點問題。基于相關(guān)文獻(xiàn)研究，做了如下工作：以康明斯并聯(lián)系統(tǒng)為例（如圖1所示），根據(jù)轉(zhuǎn)子運動方程推導(dǎo)了容量比和轉(zhuǎn)動慣量、阻尼下垂、調(diào)節(jié)系數(shù)和下垂系數(shù)等參數(shù)間的關(guān)系，按照此關(guān)系設(shè)定VSG參數(shù)，可實現(xiàn)在動態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程中VSG間的功率分配，實驗驗證了此控制策略的正確性和有效性。

      圖2為2臺VSG并聯(lián)系統(tǒng)的示意圖。圖2中，L_fi和C_fi（i=1，2）分別為2臺VSG的濾波電感和濾波電容，i_abci，u_oabci和i_oabci分別為VSG的濾波電流、輸出電壓和輸出電流。此處討論的并聯(lián)系統(tǒng)工作在孤島模式下，且?guī)б缓愎β守?fù)載。VSG控制主要包括有功頻率下垂控制、無功電壓下垂控制和虛擬阻抗，本文只介紹下垂控制。

 

圖1  康明斯發(fā)電機組數(shù)字并機控制系統(tǒng)

圖2 發(fā)電機并聯(lián)示意圖

 

1、有功頻率下垂控制

     VSG有功頻率下垂控制的控制框圖如圖3所示。圖3中，柴油機調(diào)節(jié)方程如下式：

P_m=P_ref+K_ω（ω₀-ω）...............(公式1)

      式中，P_m為柴油機功率；P_ref為有功給定；K_ω為調(diào)差系數(shù)；ω₀，ω分別為額定和實際轉(zhuǎn)子角速度。

      轉(zhuǎn)子運動方程如下式：

 

 

      式中，P_e為電磁功率；D為阻尼系數(shù)；J為虛擬慣量；θ為功角。

      根據(jù)式（1）、式（2）以及圖3可知，逆變器可實現(xiàn)有功頻率下垂控制，實現(xiàn)多逆變器之間的有功功率均分，可保證并聯(lián)逆變器輸出頻率一致。
 

2、無功電壓下垂控制

 

      VSG無功電壓下垂控制的表達(dá)式如下：

U_ref=U_N+K_U（Q_ref-Q）...............（公式3)

      式中，U_N為額定電壓；K_U為無功電壓下垂系數(shù)；Q_ref，Q分別為給定和實際無功。

      圖4為無功電壓下垂控制框圖。VSG可實現(xiàn)無功電壓下垂控制，逆變器可參與電網(wǎng)功率調(diào)度，滿足電網(wǎng)要求。

 

圖3  發(fā)電機有功頻率下垂控制

圖4  發(fā)電機無功電壓下垂控制

 

二、VSG并聯(lián)功率均分控制策略

 

      2臺VSG并聯(lián)系統(tǒng)的簡化模型如圖5所示。圖5中，U₁和U₂為VSG輸出電壓幅值；φ_i（i=1，2）為VSG和公共交流母線的相角差；Z₁，Z₂和Z_L分別為VSG₁，VSG₂的線路阻抗和負(fù)載阻抗。假定阻抗為感性環(huán)境，則Z₁=ωL₁，Z₂=ωL₂。為簡化分析計算，以2臺VSG并聯(lián)為例。設(shè)2臺VSG的有功功率比值和無功功率比值都為n，即P₁∶P₂=Q₁∶Q₂=n。

 

圖5  發(fā)電機并聯(lián)系統(tǒng)圖

 

1、有功功率均分

      若多個變換器并聯(lián)運行以按照各自容量比均分有功功率，可降低各電路中開關(guān)器件的電流應(yīng)力，有利于開關(guān)器件的選擇。在穩(wěn)態(tài)工作點處，對式（1）和式（2）進(jìn)行小信號擾動，整理化簡得出孤島帶載運行的VSG的小信號模型為

 

 

      式中，m_p為VSG的有功頻率下垂系數(shù)；t為VSG控制中慣性環(huán)節(jié)的慣性時間常數(shù)。由式（5）可以看出，VSG控制的本質(zhì)是一種下垂控制，具體來說，是一種慣量時間常數(shù)較大的下垂控制。根據(jù)P—?下垂關(guān)系：

ω=ω₀-m_pP...............（6)

      2臺VSG并聯(lián)穩(wěn)態(tài)運行時，此系統(tǒng)中各點處的角頻率處處相等，即ω₁=ω₂=ω。所以，m_p1P₁=m_p2P₂，此時，有功功率滿足：

 

      可見，有功頻率下垂系數(shù)mp與VSG的有功功率成反比。由式（5）可知，阻尼系數(shù)D和調(diào)差系數(shù)Kω均與有功頻率下垂系數(shù)mp呈反比。又由式（7）可知，有功頻率下垂系數(shù)mp與有功功率成反比，所以，阻尼系數(shù)D和調(diào)差系數(shù)Kω均與VSG有功功率成正比，即

 

      VSG并聯(lián)系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)t由前級儲能裝置決定，故是一常量；根據(jù)式（5）可知，即轉(zhuǎn)動慣量J與有功頻率下垂系數(shù)mp成反比，此時：

 

      整理式（7）~式（9）可知，若VSG的重要參數(shù)滿足下式，則并聯(lián)的VSG在運行過程中即可實現(xiàn)有功功率的均分。

 

      當(dāng)并聯(lián)VSG系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計滿足式（10）時，可實現(xiàn)有功功率均分。

2、無功功率均分

      如果并聯(lián)變換器之間存在無功環(huán)流，會增大系統(tǒng)損耗，影響并聯(lián)逆變器的穩(wěn)定運行。為解決此問題，下面討論如何均分無功功率。當(dāng)逆變器工作在穩(wěn)態(tài)工作點時，考慮各臺VSG的實際線路阻抗的影響，根據(jù)無功電壓下垂控制方程式（3）可得：

K_U1Q₁+U_Z1=K_U2 Q₂+U_Z2...............（公式11)

      式中，K_U1，K_U2分別為VSG₁和VSG₂的無功電壓下垂系數(shù)；Q₁，Q₂分別為VSG₁和VSG₂輸出的無功功率；U_Z1，U_Z2分別為2臺VSG線路阻抗上的壓降。

      從式（11）可以看出，由于實際線路阻抗的影響，即使?jié)M足無功電壓下垂系數(shù)與無功功率比n成反比，也無法保證無功功率均分。

      由圖4可知，PCC點的電壓可表示為

      對于穩(wěn)定運行的并聯(lián)系統(tǒng)，ω1=ω2=ω。由于p1和p2比較小，sin p1=p1，sin p2=p2，cos p1=1，cos p2=1，整理式（13）可得：

 

 

      在輸出阻抗呈感性的情況下，逆變器輸出的有功功率可表示為

       又因為輸出阻抗呈感性，所以，Xi=ωLi，即X1/X2=L1/L2，將其帶入式（16）整理得：

      綜上可得：

      當(dāng)并聯(lián)VSG系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計滿足上式時，系統(tǒng)的無功功率可實現(xiàn)均分。結(jié)合式（10）和式（20）可得：

      不失一般性，若要實現(xiàn)不同容量VSG并聯(lián)時的有功和無功均分，須滿足以下條件：虛擬慣量J，阻尼D，調(diào)差系數(shù)Kω和容量比n成正比，有功頻率下垂系數(shù)mp和無功電壓下垂系數(shù)KU與容量比n成反比。

 

三、仿真和實驗驗證

 

1、仿真分析

      仿真開始的時候，VSG₁帶載正常工作，在0.2s時打開VSG₂的并聯(lián)預(yù)同步單元，0.5s時關(guān)閉并聯(lián)預(yù)同步單元，同時投入VSG₂，此時VSG₁和VSG₂并聯(lián)帶載運行。按照式（21）在VSG仿真模型中設(shè)計2臺VSG控制環(huán)路參數(shù)，仿真波形如圖6所示。由圖5可知，有功和無功功率可實現(xiàn)良好的均分。驗證了參數(shù)設(shè)計公式的正確性。

 

圖6  發(fā)電機VSG并聯(lián)功率均分的仿真波形

 

2、實驗驗證

      為驗證前文推導(dǎo)的式（21）的正確性，搭建實驗樣機。不考慮前級儲能裝置特性，380V交流電通過調(diào)壓器及不控整流電路向逆變電路供電，考慮到安全因素，將交流側(cè)輸出相電壓幅值設(shè)置為40V，功率開關(guān)管為IPM電力電子器件。

      首先，VSG₁帶22Ω負(fù)載單獨運行，啟動并聯(lián)預(yù)同步，待2臺VSG輸出電壓相位一致后，切除并聯(lián)預(yù)同步單元的同時，投入VSG₂，此時，2臺VSG并聯(lián)帶載運行，某一時刻突加22Ω負(fù)載。其中，2臺VSG參數(shù)按照式（21）設(shè)定，其參數(shù)設(shè)定是一致的。

      負(fù)載投入動態(tài)過程和空載到帶載，并聯(lián)動態(tài)過程中不會產(chǎn)生電流沖擊，且?guī)缀醪粚涣髂妇€電壓產(chǎn)生影響，快速實現(xiàn)了2臺VSG并聯(lián)和電流均分。加減載動態(tài)過程中，無明顯電流沖擊，且均分電流速度快，說明采用此控制策略的動態(tài)過程良好。2臺同等容量的VSG輸出電流都為4A，且相位基本一致，說明在2臺VSG能按照1∶1的容量比分配負(fù)荷。

      實驗開始時，VSG₁和VSG2空載運行，打開VSG₂并聯(lián)預(yù)同步單元，當(dāng)檢測到2臺逆變器輸出電壓的相位一致后，切除并聯(lián)預(yù)同步單元的同時，閉合并聯(lián)開關(guān)。投入大約10Ω負(fù)載，觀察不同容量VSG并聯(lián)的電流均分效果。其中，2臺VSG參數(shù)按式（21）設(shè)定，2臺VSG容量比n為5∶3。

      圖7和圖8為不同容量VSG并聯(lián)實驗波形。由圖7和圖8可以看出，空載并聯(lián)的2臺VSG動態(tài)特性良好，輸出電流相位一致，且幅值分別為5A和3A，即不同容量的VSG并聯(lián)時能實現(xiàn)按照容量比分配功率。這樣，大容量逆變器可承擔(dān)較大電流，可充分發(fā)揮其自身大容量優(yōu)勢；流經(jīng)小容量逆變器的電流較小，不會帶來過載問題而損壞器件，從而提高微網(wǎng)運行可靠性和效率。

 

圖7 發(fā)電機空載到帶載輸出波形

圖8 發(fā)電機穩(wěn)態(tài)波形

 

四、結(jié)論

 

      本文研究了考慮不同容量并聯(lián)VSG電流均分控制策略，實驗結(jié)果驗證了本文所推導(dǎo)的式 （21）的正確性，并得到以下結(jié)論：

（1）在功率均分方面，本文推導(dǎo)了適用于并聯(lián)系統(tǒng)功率均分公式，可實現(xiàn)相同容量和不同容量并聯(lián)VSG按照自身容量分擔(dān)負(fù)載功率，有利于微網(wǎng)穩(wěn)定運行；

（2）在動態(tài)特性方面，突增突減負(fù)載的實驗結(jié)果說明VSG具有良好動態(tài)特性，且并聯(lián)過程無明顯電流沖擊，響應(yīng)速度快；

（3）在VSG參數(shù)設(shè)計方面，按照本文推導(dǎo)的關(guān)于功率均分的公式設(shè)計虛擬慣量J，阻尼系數(shù)D，調(diào)差系數(shù)Kω等VSG參數(shù)，可實現(xiàn)VSG并聯(lián)穩(wěn)定運行。

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