基于飛輪儲能單元的動態電壓恢復器優化補償方法研究*

蔡曉磊,杜 立,黃永紅,施 慧,張云帥

(江蘇大學電氣與信息工程學院,江蘇 鎮江 212013)

基于飛輪儲能單元的動態電壓恢復器優化補償方法研究*

蔡曉磊,杜 立,黃永紅*,施 慧,張云帥

(江蘇大學電氣與信息工程學院,江蘇 鎮江 212013)

配電系統中的電能質量問題一般與電壓暫降有關,針對飛輪儲能裝置具有效率高、功率大等特性,提出一種基于飛輪儲能系統的動態電壓恢復器(DVR)解決配電網電壓暫降問題,建立含飛輪儲能單元并聯型DVR模型,重點分析并聯型飛輪儲能系統的工作模式及相對應的充放電控制策略。配電網中DVR模型主電路采用混合級聯H橋拓撲結構,在補償控制策略方面,提出一種優化補償控制策略,該方法可以減少所需注入DVR的有功功率和延長系統的補償時間。通過仿真分析與實驗驗證,表明了所提模型以及相關補償控制方法可行性和有效性。

配電網;動態電壓恢復器;飛輪儲能;充放電控制;優化補償控制

在現代工業的快速發展中,一些新型的電力電子裝置和一些非線性、沖擊性、非對稱性負荷的運行可能導致電網電壓升高、跌落和瞬時供電中斷等動態電能質量問題,而電壓暫降在諸多電能質量問題中發生頻率最高,影響最為嚴重,造成經濟損失最大[1-2]。動態電壓恢復器作為一種新型電能質量補償裝置特別適合用于補償電網中出現的電壓暫降問題,DVR裝置具有結構簡單、裝置成本低、補償效率高等優勢[3],基于其具有高性價比和良好的動態性能,DVR裝置已成為目前治理電網中出現電壓暫降問題最為經濟、有效的手段[4]。

當系統出現電壓暫降擾動時,DVR裝置中的直流儲能單元向暫降系統注入有功/無功功率來進行電壓補償[5]。一般而言,DVR的直流儲能單元有2種結構方式:一種采用不可控整流或可控整流器件從電網側或是用戶側的線路上直接提取能量,這種方法無法向DVR系統進行儲能,有可能引起更嚴重的電壓跌落;另一種是采用直流儲能元件(如飛輪儲能、蓄電池、超級電容儲能、超導儲能等),DVR在進行補償工作時能量由直流儲能裝置提供[6]。其中,飛輪儲能裝置具有壽命長、快速充放電以及無污染等特性,適合短時間儲能,能夠有效解決電能質量和脈沖式用電問題[7]。

本文將以低速鋼轉子飛輪和內裝式永磁無刷直流電機同軸安裝結合一起用于DVR系統儲能單元,建立含飛輪儲能單元并聯型系統拓撲結構的DVR模型。DVR模型主電路采用混合級聯H橋多電平逆變器拓撲結構,在補償控制策略方面,提出了一種改進的優化補償控制策略[8],該方法能夠進一步減少DVR裝置直流儲能單元的容量,降低DVR注入電壓振幅和減輕負載側瞬態失真,更有效延長DVR補償時間;本文還將重點分析并聯型飛輪儲能系統的工作模式及相對應的充放電控制策略,并通過建模仿真與實驗結果驗證該控制方法的正確性和有效性。

1 含飛輪儲能單元并聯型DVR結構

1.1 飛輪儲能電機的結構原理

飛輪儲能電機主要由儲存能量用的飛輪轉子、支撐轉子的永磁軸承、進行機電能量轉化的電動/發電機和進行電能變換與傳輸控制的電能轉換系統4個部分組成,其基本結構如圖1所示。

圖1 飛輪儲能電機基本構成圖

飛輪電機繞飛輪對稱軸旋轉進行機電能量轉換的總儲能為:

(1)

式中:J為飛輪極轉到慣量;ωmax和ωmin分別為飛輪的最高轉速和最低轉速;m為飛輪質量;Ks為飛輪形狀系數;Km為飛輪材料利用系數;σB為材料利用應力;ρ為材料密度;R為飛輪外徑。一般采用高強度、低密度的材料來提高飛輪電機的儲能密度。

1.2 含飛輪儲能單元的并聯DVR基本結構

本文提出的含飛輪儲能單元的并聯型DVR基本結構如圖2所示,與傳統拓撲結構相比,通過引入轉換開關k4、k5、k6省去了輔助變換器。其中k1、k2、k3為旁路開關,與飛輪同軸安裝的永磁無刷直流電機通過2個電壓型變換器A和B,經串聯變壓器接入配電網。

圖2 含飛輪的 DVR 并聯型拓撲結構

DVR系統啟動初期,這時候飛輪儲能系統處于充電狀態。通過控制系統電源電壓和敏感負荷側電壓之間的相角差,變流器B起整流作用,將系統電源的能量轉換到飛輪儲能系統的直流母線側,而變換器A起逆變作用,將從變換器B出來直流電經過PWM變為頻率可變或電壓大小也可變的交流電,提供一個較高的轉矩帶動電機飛輪高速旋轉,這時電機工作在電動狀態對飛輪系統進行充電。待其充滿能量后,DVR系統進入待機模式,這時候旁路開關k1、k2、k3閉合直接將DVR系統旁路,以減少串聯變壓器的損耗。此時,系統電源直接向敏感負載供電。當DVR檢測到系統電壓發生電壓跌落時,旁路開關k1、k2、k3通過繼電器模式迅速打開,此時飛輪儲能系統工作于放電狀態。這時飛輪電機工作在發電狀態,PWM變換器B起整流作用,將發出的交流電整流為直流電,PWM變換器A起逆變作用,采用電壓優化補償方法控制飛輪減速放電,補償敏感負載所需功率,保證其不受影響并正常運行。

2 優化補償控制策略

對于各種形式不同的電壓暫降,DVR必須很快做出回應并迅速恢復暫降后系統電壓幅值。當系統出現不平衡、長電壓暫降時,DVR裝置能夠給出正確的補償,避免大多數負載較大的相位跳變。由于一般DVR系統直流環節存在放電和負載側的電壓失真,所以為了確保負載的低失真以及敏感負荷側不能夠承受較大的相位跳變,本文提出一種改進的優化補償控制策略,該方法較傳統補償控制策略而言,能夠及時準確地補償系統在發生電能質量擾動時所需的電壓和產生最小的負載電壓瞬態失真,而且能夠減少DVR注入有功功率,節約飛輪電機的儲能容量,延長補償時間。優化補償控制過程的系統相量圖如圖3所示。

圖3 優化補償控制系統向量圖

圖5 優化控制策略方框圖

圖3中,UG1、UG2、UGn為補償期間電網電壓,UL1、UL2、ULn為補償后負載電壓,UD1、UD2、UDn為DVR的補償電壓,US為暫降前的電網電壓。IL為暫降前的負載電流,IGn為系統經過補償后的電網電流,IL1、ILn為補償后的負載電流,φ為暫降系統的功率因素角,δ為暫降前后系統電網電壓之間的夾角。暫降發生后DVR向系統注入的有功功率和無功功率分別為:

PDVR=UD1IL1cosω1+UD2IL2cosω2+…+UDnILncosωn

(2)

QDVR=UD1IL1sinω1+UD2IL2sinω2+…+UDnILnsinωn

(3)

式中:由優化補償控制系統向量圖可知,補償后系統的功率因素角ωn=φ,且由系統鎖相環的緩慢調制過程知,每一次系統緩慢調制后的功率因素角之差的累加等于暫降前后系統電網電壓之間的夾角,即:

(4)

當電網電壓發生短時間暫降時,DVR輸出電壓使負載電壓的相位在補償開始時與暫降前保持一致,然后慢慢過渡到與暫降后電壓一致,而優化補償在調制補償過程中始終保持負載電壓幅值與暫降前電壓一致。對于長電壓驟降時,當直流電壓一定或沒有過調制的情況下,該方法仍然可以產生適當的電壓和最小的負載電壓瞬態畸變。其補償控制流程圖如圖4所示。

圖4 優化補償控制流程圖

圖5為DVR系統的優化控制策略方框圖。為了降低電網電壓的瞬態失真,將50 Hz的帶通濾波器應用到p-q-r參考框架改造之前,這時需要一個參考電壓VREF來應對這種轉變。當DVR裝置檢測到暫降電壓后,系統中的鎖相環立即被解凍,補償電壓與電網電壓之間的相位角通過鎖相環被控制且存儲起來。為了補償不可避免的延遲時間,最后的幾個測量的相位角也被存儲起來,而且其中的1個測量值通過依靠跌落檢測的數量樣本來產生參考電壓。一旦中壓系統中的直流母線電壓降到給定值以下,這時完全補償策略將會改變,鎖相環解鎖并開始跟蹤電網電壓,調整DVR輸出的補償電壓使負載電壓的頻率開始有一個很小的跳變,經過一定的過渡時間,最終將補償電壓緩慢過渡到與電網電壓同相。其中,鎖相環本身是用一個控制器來實現的,而自相電壓差總是導致Q分量在p-q-r參考框架下,控制器只需要消除這種成分,又由于補償的時間常數較高,當改變策略啟動時,鎖相環需要幾個周期時間來進行與電網電壓同步。

3 DVR 中飛輪儲能單元的充放電控制

3.1 充電過程分析

飛輪電機啟動后,飛輪以角速度ω快速旋轉加速,直到我們所需的轉速,充電過程結束,系統轉入恒速待機狀態。因此其充電過程其實就是電機的一個啟動加速過程,而一般在中小功率場合,驅動飛輪用電機一般采用永磁直流電機,與飛輪做成一體。其數學模型分析如下:假設三相定子繞組采用星型接法且中性點無中線,每相繞組特性和參數相同且為常數,由狀態空間法可以推導出電壓平衡方程[9]:

(5)

圖6 永磁無刷直流電機的等效電路

式中:Ua、Ub、Uc為定子繞組電壓,R為定子電阻,ia、ib、ic為定子繞組電流,L、M為繞組的自感和互感,Ea、Eb、Ec為各相繞組反電動勢。由電壓平衡方程式可以得到圖6所示的永磁無刷直流電機的等效電路。

以a相為例,當電機以角速度ω旋轉時,單相電磁轉矩Ta可表示為:

Ta=Eaia/ω

(6)

電機總電磁轉矩Te為三相轉矩之和,為:

Te=(Eaia+Ebib+Ecic)/ω

(7)

電機工作在動機模式時,逆變器控制電樞交軸電流iq與電機反電勢同流向,電機相電壓Ua相位上超前反電勢,幅值大于反電電勢幅值。在基速以下,定子交軸電壓Uq大于電機反電動勢,交軸電流iq由高電勢流進,從低電勢流出,電機吸收電能轉化為轉子的機械能,帶動飛輪完成充電儲能過程。

3.2 放電過程分析

在放電過程中,永磁無刷直流電機工作于發電機狀態,隨著機械能到電能的轉換,電機的速度逐漸下降,電機端電壓逐漸下降,同時為了穩定輸出電壓,放電過程采用閉環控制的Boost升壓電路。如圖7為Boost升壓電路中直流升壓器的電路拓撲結構[10],通過控制功率開關管T的導通與關斷時間來調節輸出電壓。電路工作原理是:當VG為高電平時,功率開關管T導通,在輸入電壓Vd的作用下,電感上的電壓VL=Vd>0,iL上升,電感儲能增加,負載R由電容C提供電能。反之VG為低電平時,功率開關管T關斷,因電感電流不能突變,iL開始下降,并通過二極管VD向電容C與負載供電,電感上儲存的能量傳遞到電容、負載側,此時輸出電壓Vo=Vd-VL>0。

圖7 直流升壓變換器電路圖

此時電機工作在發電機模式,逆變器控制電樞交軸電流iq與電機反電勢反向,定子電電機相電壓 Ua的相位滯后于反電勢,幅值小于反電勢。定子交軸電流iq從高電勢流出,流進低電勢。電機將飛輪轉子的機械能轉化為電功率輸出。

4 仿真分析與實驗驗證

4.1 仿真分析

為了驗證上述DVR裝置的可行性以及優化補償控制策略實效性,本文基于MATLAB/Simulink軟件,對飛輪儲能單元的充電加速過程、恒速待機過程以及配電網發生電壓暫降后飛輪儲能單元的放電減速過程進行仿真,系統主要參數如表1所示。

表1 系統主要參數

圖8為2種不同情況下出現的電壓暫降,圖8(a)系統接入非線性負荷時出現的電壓暫降,暫降幅度約33%,持續時間為1 s;圖8(b)是線路故障時的電壓暫降,幾乎降為零,持續時間為1 s。

圖8 2種不同情況的電壓暫降

DVR系統啟動后,儲能單元進入充電模式,電機采用恒轉矩加速方式,電機始終控制在最大轉矩下,隨時為暫降系統進行電壓補償。圖9給出了加速充電過程中電機轉速、電磁轉矩的變化情況。飛輪的加速時間為5.5 s,電機轉矩在啟動瞬間出現波動,之后加速一直保持最大轉矩22 N/m,充電完畢后,電機轉矩迅速減小,只以較小的值維持飛輪穩定運行,飛輪轉速保持在4 250 r/min。

當配電網接入非線性負荷時,在設定的仿真環境下出現圖7(a)所示的三相對稱電壓暫降波形,此時飛輪儲能單元開始降速放電,飛輪轉速由4 250 r/min降至1 000 r/min,圖10給出了放電過程中電機轉子轉速的變化過程。圖11波形為DVR切入暫降系統后補償效果。

圖9 飛輪電機的轉速、轉矩響應曲線

圖10 放電時飛輪電機的轉速響應曲線

圖11 帶DVR時敏感負載的三相電壓

圖12 優化補償控制的DVR輸出電壓波形圖

為負載補償同相位電壓,采用本文所提的優化補償控制策略,如圖12所示,DVR系統穩定的為直流負載端補償200 V左右電壓,而且延長了大約0.02 s補償時間。圖13為傳統補償控制策略和本文采用的優化補償控制策略下DVR消耗的有功功率比較圖。由圖可以看出,本文所采用的優化補償控制策略在補償暫降電壓時損耗的有功功率要小于傳統補償控制策略。

圖13 傳統補償與優化補償控制策略DVR消耗有功功率比較

4.2 實驗驗證

為了進一步探究本文所提的優化補償控制策略在暫態電能質量補償方面的實用性,搭建了含飛輪儲能電機的DVR電壓暫降補償實驗平臺。如圖14所示,實驗時采用Chroma 61603可編程交流電源模擬系統電壓,飛輪電機為剛轉子永磁無刷直流電機,設電源電壓幅值設置為380 V,基波頻率為50 Hz,1個周期采樣時間設置為20 ms,共10個采樣周期,設定電壓暫降幅值深度為50%,暫降時間為4個周期。

圖14 電壓暫降補償實驗平臺

實驗中非線性負載由電阻、電感和整流橋組合而成,主控電路由FPGA芯片EP2C5T144C8N和ARM7微處理器LPC2136構成,同步調理電路由FPGA接收主要完成系統電壓同步方波信號的調理與輸出。當檢測到系統電壓發生暫降時,這時FPGA中的計算環節能夠快速地計算出電壓暫降的幅值,并根據所提的補償控制策略實時跟蹤與調整電網電壓,從而保證負載正常供電。對DVR實驗樣機進行電壓暫降檢測與補償實驗,圖15(a)、圖15(b)、圖15(c)分別為系統電壓發生暫降檢測波形,DVR裝置補償電壓波形,補償后系統電壓波形,對比圖形證明了該補償控制方法的有效性及可行性。

圖15 優化補償方法動態電壓恢復器實驗波形

5 結論

基于飛輪儲能裝置具有短時間、高功率放電的特性,本文用一種含飛輪儲能系統的動態電壓恢復器解決配電網電壓暫降問題,建立含飛輪儲能單元并聯型系統拓撲結構的DVR模型,在逆變器的補償控制策略方面,提出了一種改進的優化補償控制策略并用于暫降系統的檢測補償分析中,得出如下結論:

(1)確定了飛輪儲能系統的充、放電主回路的電路拓撲;介紹了飛輪電機的數學模型,基于飛輪儲能系統的充放電控制策略能實現電能與飛輪轉子機械能之間的有效轉換,并保證飛輪儲能系統在放電狀態下輸出恒定功率;

(2)提出了一種改進的優化補償控制策略,該方法較傳統補償控制策略而言,能夠及時準確地補償系統在發生電能質量擾動時所需的電壓和產生最小的負載電壓瞬態失真,而且能夠減少DVR注入有功功率,節約飛輪電機的儲能容量,延長補償時間;

(3)搭建了含飛輪儲能電機的DVR電壓暫降補償實驗平臺,進行了電壓暫降補償實驗,實驗結果驗證了所提DVR模型和相關補償控制方法的可行性與有效性。

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Research on Optimization of Dynamic Voltage Restorer Compensation Method Based on Flywheel Energy Storage Unit*

CAIXiaolei,DULi,HUANGYonghong*,SHIHui,ZHANGYunshuai

(School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Jiangsu 212013,China)

Most power quality problems in distribution systems are related to voltage sags. For the flywheel energy storage device with high efficiency and high power characteristics,a flywheel energy storage system for dynamic voltage restorer(DVR)based on solving distribution network voltage sags were built with flywheel energy units in parallel type model of the DVR,in order to focuse analysis of parallel type flywheel storage system working mode and corresponding to the charge and discharge control strategy. Distribution network model of the DVR main circuit adopts hybrid cascaded H-bridge topology,and puts forward a optimal compensation control strategy in the compensation control strategy. This method can reduce the DVR injection active power and extend the system to compensate the time. Through the simulation analysis and experimental verification,the feasibility and effectiveness of the proposed model and the related compensation control method are demonstrated.

distribution network;dynamic voltage restorer;flywheel energy storage;charge discharge control;optimal compensation control

項目來源:江蘇省工業支撐計劃項目(BE2014876)

2016-03-18 修改日期:2016-05-07

C:8470

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.036

TM712

A

1005-9490(2017)02-0439-07