新能源并網(wǎng)變換器優(yōu)化控制研究

甘肅建投水利水電有限公司 吳 鵬

引言

隨著煤炭等礦產(chǎn)資源的過度開發(fā)，在電力系統(tǒng)供電中出現(xiàn)資源枯竭的狀態(tài)，并且在大量燃燒煤炭資源的基礎(chǔ)上，生態(tài)環(huán)境問題越來越嚴重，各國展開了對新能源的應(yīng)用研究[1]。我國在新能源領(lǐng)域的種類較多，以風力和光伏發(fā)電為主的發(fā)電站規(guī)模，在世界范圍內(nèi)均占巨大比重，極大地緩解了能源短缺等問題。在新能源并網(wǎng)過程中需要大量電子設(shè)備，導致線路呈現(xiàn)電子化，內(nèi)置的變換器存在大量交流諧波，出現(xiàn)不對等電壓和電流現(xiàn)象[2]。

針對并網(wǎng)運行的不平衡電壓電流狀態(tài)，提出了對并網(wǎng)變換器的優(yōu)化控制方法，主要是通過對過流現(xiàn)象進行限流策略完成電壓分配，對集中在并網(wǎng)運行中的不同相電流進行約束。但由于新能源設(shè)備均具有儲能能力，在對變換器進行限流控制時，并不能全面地對指令目標進行多角度協(xié)調(diào)，導致成本過高[3]。

其次在儲能設(shè)備中能耗耗盡，并網(wǎng)變換器仍以限流電流進行運行，則會出現(xiàn)電壓不平衡現(xiàn)象，發(fā)生低電流過流隱患，縮短變換器的使用壽命。因此必須盡快解決新能源并網(wǎng)運行時變換器的有功輸出電壓電流，使得變換器兩側(cè)的交直流電在標準范圍內(nèi)，擬補傳統(tǒng)優(yōu)化控制方法的過流問題[4]。

電網(wǎng)電壓的平衡影響并網(wǎng)變換器的穩(wěn)定運行，傳統(tǒng)控制方法主要是將電流抑制在一定范圍，而限流會影響并網(wǎng)的有功電壓輸出，在持續(xù)低壓狀態(tài)下變換器會造成電網(wǎng)供能不足，為此，研究新能源并網(wǎng)變換器優(yōu)化控制方法。構(gòu)建計及電流的物理優(yōu)化模型，預(yù)測雙零矢量電流優(yōu)化控制并網(wǎng)變換器，完成方法的設(shè)計。

本文基于此研究新能源并網(wǎng)變換器的優(yōu)化控制方法，保證并網(wǎng)變換器同時具備低壓穿越和高壓運行的兩個能力，在注入有功電壓的情況下能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的運行不造成影響，提出更加科學的理論指導。實驗結(jié)果表明：以運行8小時狀態(tài)下的并網(wǎng)變換器為對象，通過加壓和減壓兩種方式進行測試，設(shè)計方法能夠?qū)⑤敵鲭娏骺刂圃跇藴史秶鷥?nèi)，具有實際應(yīng)用意義。

1 新能源并網(wǎng)變換器優(yōu)化控制方法

1.1 構(gòu)建計及電流物理優(yōu)化模型

一般情況下，并網(wǎng)變換器的電壓存在內(nèi)外環(huán)兩側(cè)功率環(huán)，通過對兩側(cè)的電壓進行穩(wěn)定控制，能夠獲取相對相位上的電流頻率，完成運算指令將外環(huán)值作為內(nèi)環(huán)的輸入電流，進行參考后并入電網(wǎng)中，達到抑制電流過大的影響作用。為避免變換器的控制復雜性，將需要控制的并網(wǎng)變換器置于靜態(tài)的坐標系中，通過矩量變換轉(zhuǎn)成兩項坐標系，常用的兩項坐標中包含同步旋轉(zhuǎn)和兩項坐標系，此次以兩相的旋轉(zhuǎn)坐標為基礎(chǔ)，建立并網(wǎng)變換器的電流控制物理模型[5]。同步旋轉(zhuǎn)坐標系中交流電信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘枺枰喕刂浦械膹碗s程度，按照PID 控制器為比例積分控制，實現(xiàn)三相交流電三者的并聯(lián)串行，如下圖1所示。

圖1 并網(wǎng)變換器電流跟蹤框圖模型

根據(jù)圖中內(nèi)容所示，其中比例控制器在線路中用p 來表示，則對應(yīng)的參數(shù)比例增益表示為cp，積分控制器在線路中用i 來表示，則對應(yīng)參數(shù)的比例增益用ci來表示，若比例控制器表示為d，則對應(yīng)的參數(shù)微分增益用cd來表示。在PID 控制環(huán)節(jié)中，由于微分環(huán)節(jié)受噪聲影響，會將對應(yīng)參數(shù)增強范圍過大，使得三相坐標系的穩(wěn)定性較差。將微分控制環(huán)節(jié)省略，直接用PI 作為控制環(huán)節(jié)進行使用，產(chǎn)生的物理變化模型結(jié)構(gòu)tn，表達式為：

tn=pidnnm=(cp+ci/g+cdg)nm

tn=jnm+1/h∫nmgh+snm/gs

公式中：坐標中指令電流用nref表示，實際采樣電流的數(shù)據(jù)用n 來表述，兩者存在相對誤差表示為nm，通過PID 控制器進行觀察，控制后產(chǎn)生的采樣流量數(shù)據(jù)格式表示為pidnnm，在物理阻抗過程中電阻j 的抑制范圍cp對應(yīng)領(lǐng)域模型j，電容h 的抑制范圍ci/g 對應(yīng)領(lǐng)域模型1/gh，電感s 的抑制范圍cdg 對應(yīng)領(lǐng)域模型gs。

將得到的電流按照電路等效抗阻形式進行串聯(lián)，組成三相電流通過的等價關(guān)系，完成三個系數(shù)之間的模型對偶關(guān)系[6]。根據(jù)控制器本身的抗阻特性看，電流誤差在經(jīng)過控制器時能夠產(chǎn)生電壓信號，在電壓外環(huán)中電壓信號經(jīng)過，即可得到此時對應(yīng)的誤差電流信號，進行雙零矢量的電壓和電流預(yù)測即可。

1.2 預(yù)測雙零矢量電流控制并網(wǎng)變換器

針對電壓內(nèi)環(huán)和外環(huán)的不同響應(yīng)程度，以構(gòu)建計及電流物理優(yōu)化模型為基礎(chǔ)，保證在相對時間尺度上電流數(shù)值接近和重合，使其在相差兩個數(shù)量級的范圍下，電流環(huán)有足夠的響應(yīng)時間。電壓外環(huán)的電流響應(yīng)速度常態(tài)下，與變換器的暫態(tài)響應(yīng)速度接近，內(nèi)環(huán)電流的響應(yīng)速度要小于暫態(tài)響應(yīng)，對兩者進行合理設(shè)置保證優(yōu)化控制中，不會出現(xiàn)不同的反應(yīng)尺度[7]。

為平衡不同流相的電壓和電流，采用雙零矢量的控制算法進行預(yù)測，對三相的開關(guān)狀態(tài)進行確定，主要根據(jù)參考電壓和電流中的一相狀態(tài)，進行價值函數(shù)數(shù)值對其余兩相開關(guān)狀態(tài)預(yù)測，從而找到三相參考電壓中的最大值和最小值。將剩余兩相的參考電壓和電流，建立相對值比較矢量框架，利用價值函數(shù)對其兩端的輸出狀態(tài)進行選擇，具體控制預(yù)測框架，如下圖2所示。

圖2 三相并網(wǎng)變換器數(shù)值預(yù)測控制框圖

根據(jù)圖2中內(nèi)容所示，將兩組相參考電流和電壓的絕對值進行比較，參考電流中絕對值較大的為首先確定的開關(guān)狀態(tài)。當該項的參考電壓為正相時，則表示上路的兩路相開關(guān)暢通，否則在負相時表示下路連相的開關(guān)暢通，能夠在三條不同走向的線路中選擇最優(yōu)的控制方案，進行并行變壓器的優(yōu)化控制。為減少開關(guān)次數(shù)進行上述框架優(yōu)化，不同于當前價值函數(shù)選定的矢量零時狀態(tài)，對選擇矢量過程利用不等式進行模擬，表達式為：

Zw(a-1)+Zq(a-1)+Zp(a-1)＜2

公式中：不同開關(guān)狀態(tài)下的三相輸出電流用a來表示，上期階段的輸出電流用a-1表示，每個采集階段的周期內(nèi)各個開關(guān)的狀態(tài)用Z 來表示，三個線路的各自電流分別為Zw和Zq以及Zp。在進行上一周期的電流變換中，若存在有零相或者一相的開關(guān)通路，則可以直接切換到另外兩路。減少變換器的開關(guān)次數(shù)，達到輸出電流的有效控制[8]。至此，在構(gòu)建計及電流物理優(yōu)化模型基礎(chǔ)上，利用三相并網(wǎng)的初始接入電壓，進行雙零矢量的電流預(yù)測，完成新能源并網(wǎng)變換器優(yōu)化控制方法設(shè)計。

2 實驗結(jié)果分析

為驗證此次設(shè)計的方法具有應(yīng)用價值，能夠在新能源并網(wǎng)變換器運行時，起到優(yōu)化控制的實際效果，采用實驗測試的方法進行模擬。選擇某省并行電網(wǎng)中120kVA 的變換器作為測試對象，在MATLAB 測試平臺中模擬主電路運行環(huán)境，控制電路在其上方進行跟蹤。為保證實驗的準確性，在對并網(wǎng)電流進行增壓或者減壓時，其電流波動畸變要設(shè)計在允許范圍內(nèi)。對選擇的變換器運行參數(shù)進行統(tǒng)計，按照電網(wǎng)工作連續(xù)一周運行8小時的狀態(tài)為例，具體參數(shù)值如下：變換器功率120kVA、側(cè)網(wǎng)線電壓400V、直流側(cè)網(wǎng)母線電壓680V、并網(wǎng)頻率80Hz、開關(guān)頻率6Hz。

根據(jù)以上參數(shù)所示，在對正常運行狀態(tài)的變換器進行控制，由于電壓和電流屬于雙向變化，當一方變化時另一方會產(chǎn)生變化。分別對并網(wǎng)運行的電壓進行加壓和減壓測策略，電壓過大時變換器的流量隨之增加，超過200A 時并網(wǎng)線路出現(xiàn)故障，電壓減少時變換器的流量隨之減小，當?shù)陀?20A 時電能供應(yīng)不足造成斷電。

在引入兩組傳統(tǒng)控制方法的基礎(chǔ)上，對增壓和減壓狀態(tài)的并網(wǎng)線路，分別優(yōu)化線路中變換器的電流，正常電流輸出狀態(tài)在140A～180A 為標準，能夠保持平穩(wěn)運行超過12小時。并網(wǎng)中初始的線路電壓為100kV，對應(yīng)的電流大小為150A，設(shè)置每小時的運行電壓，在增加10kV 時電流會增長10A 為變化規(guī)律，在第4小時和第6小時進行加壓和減壓，電壓比值分別為80kV。將本文方法和傳統(tǒng)方法分別接入至線路中，進行優(yōu)化控制，具體結(jié)果如下圖3所示。

圖3 增壓與減壓狀態(tài)下電流控制對比

根據(jù)圖3中內(nèi)容所示，在對并網(wǎng)線路增加80kV壓力時，線路的電流會增加80A，此時運行狀態(tài)下電流變?yōu)?30A，會超過額定范圍引起故障，而線路減少80kV 壓力時，運行狀態(tài)下的電流變?yōu)?0A，不足以維持并網(wǎng)供應(yīng)電能。

綜合控制結(jié)果來看：兩組傳統(tǒng)方法僅能在電流超過200A 后進行控制，若電壓持續(xù)不降會造成電力故障，且控制額定值較低，當線路減壓狀態(tài)時沒有明顯變化。而本文方法的應(yīng)用下，無論是增壓狀態(tài)還是減壓狀態(tài)，均能夠?qū)㈦娏骺刂圃跇藴瘦敵鲋担f明具有實際應(yīng)用價值。

3 結(jié)語

在分析新能源并網(wǎng)的線路運行狀態(tài)下，對其變換器的兩側(cè)電壓和電流進行預(yù)測，以計量電流的物理模型為基礎(chǔ)，對產(chǎn)生的濾波功率進行補償，完成并網(wǎng)運行狀態(tài)下對變換器的優(yōu)化控制方法設(shè)計。實驗結(jié)果表明：在本文方法應(yīng)用下，能夠?qū)€路中的增壓和減壓狀態(tài)，進行有效控制，保證輸出電流控制在合理范圍內(nèi)。

但由于本人時間有限，在測試過程中只能對電壓這一環(huán)節(jié)進行驗證，所得結(jié)果具有一定偏差性。后續(xù)研究過程中會針對不同方面，進行更深層次的對比分析，為并網(wǎng)運行的穩(wěn)定性提供更科學的理論支持。