MMC-MG配電網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)冗余控制策略設計及仿真優(yōu)化

張婉明, 席海闊, 白明輝, 李莉, 張新亮

(國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司, 河北, 承德 067000)

0 引言

隨著全球能源消耗的快速增長,傳統(tǒng)石化能源已經(jīng)無法滿足新的增長需求,太陽能、風電等多種可再生能源則獲得了極大的應用推廣,但這些不同結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)都存在與整體電網(wǎng)系統(tǒng)之間的匹配問題,需要對各自的運行控制過程開展深入分析[1-4]。針對以上研究結(jié)果,有學者采用H橋微源逆變器構(gòu)建了一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)(SMPGs)[5],有望從結(jié)構(gòu)層面克服傳統(tǒng)配電網(wǎng)面臨的問題。現(xiàn)階段,針對MMC-MG系統(tǒng)開展的研究基本都是在孤島模式下探討系統(tǒng)的輸出控制性能、電壓穩(wěn)定性以及功率協(xié)調(diào)方面的內(nèi)容[6-8]。

MMC-MG是由風電、光伏共同組成的配電網(wǎng),并為各微源直流鏈配備了儲能系統(tǒng),因此可以獲得相近的直流鏈電壓。為確保微源達到更高利用率,同時運用微源子模塊輸出功率排序以及調(diào)制載波層疊脈寬的方法來獲得合適的微源冗余。但因為風電、光伏容易造成波動變化的微源出力[9],并且大部分能量都位于低頻區(qū)段,此時選擇原始功率條件排序并不能準確體現(xiàn)實際出力情況。因此需重新構(gòu)建合適的信號提取算法,根據(jù)功率低頻分量調(diào)節(jié)模塊冗余值[10]。文獻[11]設計了一種通過經(jīng)驗小波轉(zhuǎn)換的方法來實現(xiàn)配電網(wǎng)運行保護的方案,利用提取到的零序電流最高頻分量并以此組成故障特征,使配電網(wǎng)獲得更優(yōu)保護效果。

EEMD分解光伏功率信號高頻分量接入儲能系統(tǒng)以平滑光伏出力波動,具有較好的平滑效果。文獻[12]則通過EEMD方法對光伏功率信號進行分解,當在儲能系統(tǒng)中加入高頻分量后可以實現(xiàn)平滑的光伏出力,達到理想的平滑性能。本文選擇EEMD進行分解預處理信號,提取其低頻分量并排序,主要研究MMC-MG系統(tǒng)內(nèi)包含冗余微源子的組成結(jié)構(gòu),設計一種通過EEMD分解方法來實現(xiàn)動態(tài)冗余調(diào)節(jié)的方案。

1 MMC-MG結(jié)構(gòu)及調(diào)制策略

1.1 MMC-MG結(jié)構(gòu)及分析

圖1給出了MMC-MG系統(tǒng)的具體拓撲結(jié)構(gòu)。可以看出,此系統(tǒng)通過模塊化多電平變換器(MMC)相連,之后利用濾波器、交流負載與母線、開關(guān)將其連到外電網(wǎng)系統(tǒng)中。該系統(tǒng)由上部與下部的橋臂構(gòu)成,各橋臂分別包含了N個常規(guī)GM與K個冗余GM,并跟電抗器L相連,在三相中總共存在6(N+K)個GM。

圖1 MMC-MG拓撲結(jié)構(gòu)

圖2給出了微源子模塊(GM)的具體拓撲結(jié)構(gòu)。GM通過風電、光伏微源的整流轉(zhuǎn)換處理后再與儲能系統(tǒng)(ES)與半橋變流器(HC)相連;HC中包含了1個電容器、旁路開關(guān)Si與2個帶反并聯(lián)二極管IGBT。利用V1、V2通斷調(diào)節(jié)的方式使GM完成投入與切除模式的相互轉(zhuǎn)換。在GM發(fā)生故障的情況下,關(guān)閉旁路開關(guān)Si,同時從系統(tǒng)中切除故障GM。

圖2 GM拓撲結(jié)構(gòu)

1.2 調(diào)制策略

載波層疊脈寬調(diào)制(PD-PWM)是一種輸入、輸出呈現(xiàn)線性變化規(guī)律的調(diào)制技術(shù),具備優(yōu)異諧波性能,也較易達到冗余控制的效果[13-14]。以下給出了上述過程的控制原理:不考慮冗余因素影響的情況下,各橋臂包含了N個GM,因此需要設置N個載波。當調(diào)制波超過三角載波時,輸出結(jié)果“1”;當調(diào)制波比三角載波低時,輸出結(jié)果“0”,具體見圖3。假定上、下橋臂的調(diào)制電壓如下:

圖3 PD-PWM調(diào)制原理

(1)

(2)

2 動態(tài)冗余控制策略

2.1 控制方案

當系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)時,所有GM都能發(fā)揮作用,實現(xiàn)動態(tài)冗余的控制效果。本文采用EEMD分解方法來實現(xiàn)動態(tài)冗余調(diào)節(jié)。采用上述策略進行調(diào)節(jié)的具體步驟:假定由N+1個電平組成的MMC-MG系統(tǒng)中各橋臂GM的數(shù)量是J=N+Z,其中,Z表示故障子模塊數(shù)量。通過EEMD分解技術(shù)提取到功率的低頻分量(EEMD分解方法參考文獻[13]),經(jīng)過分解后的模態(tài)需在0.02 s內(nèi)完成分辨,確認功率排序所需的GM。圖4給出了GM動態(tài)冗余控制的具體框圖。

圖4 GM動態(tài)冗余控制框圖

由圖4可見,上述控制策略包括以下4個步驟:先完成故障GM信號獲取,再對功率進行EEMD分解,選擇合適的GM,延伸系統(tǒng)調(diào)控信號并完成參數(shù)分配。先判斷橋臂有無故障GM,當不存在故障GM時,Z取值為0,則對微源輸出功率通過EEMD分解的方式完成排序;接著設置GM選擇邏輯,利用合適的橋臂電流與調(diào)整策略確定n個GM,當系統(tǒng)內(nèi)含有故障模塊時(Z不等于0),首先采用預處理的方式構(gòu)建得到故障子模塊,再分解計算剩余微源的初始功率。最終按照確定后的GM拓展控制信號把所得結(jié)果分配至MMC-MG系統(tǒng)子模塊中。

2.2 故障GM處理

GM規(guī)則流程如圖5所示。其中,工頻周期設定在0.02 s,T表示累積時間,t是運行過程的對應時刻。在t與T不相等的情況下,無須選擇GM,此時可以根據(jù)之前時刻的GM進一步運行;t上升到T時,重新設置運行狀態(tài)下的GM。

圖5 GM規(guī)則流程圖

確定GM之后,再對控制信號進行擴展和分配。以下為具體處理規(guī)則:橋臂內(nèi)不存在故障GM(Z=0)的情況下,共分成N組控制信號,經(jīng)過擴展獲得J組,此時冗余GM也開始正常運行;再對之前GM控制信號設置參數(shù)(1,0),得到剩下冗余GM,同時將(0,1)作為控制信號。系統(tǒng)橋臂內(nèi)存在故障GM(Z≠0)的情況下,系統(tǒng)共包含J-Z個GM,形成J-Z組控制信號,為確保控制信號和橋臂GM形成準確對應關(guān)系,對J-Z組控制信號進行擴展得到J組結(jié)果。

對于工程使用過程來說,需要配備傳感器進行控制信號采集,再利用微處理器計算各橋臂GM調(diào)節(jié)數(shù)量與時間。以下為系統(tǒng)的裕度極限指標:

(3)

式中,ZA表示GM中形成的故障數(shù)量。結(jié)合GM選擇邏輯確定最大的工頻周期功率GM進行測試,之后根據(jù)2.2節(jié)的方式把控制信號分配至GM。

3 仿真分析

為了對本文設計的動態(tài)冗余控制策略開展可靠性驗證,根據(jù)圖1和圖2中的拓撲結(jié)構(gòu)建立仿真數(shù)學模型,并按照表1內(nèi)容設置仿真參數(shù)。

表1 MMC-MG系統(tǒng)仿真參數(shù)

控制不同時間下的微源溫度、光照強度、風速,選擇橋臂中5個GM作為研究對象,共包含4個正常GM,剩余1個屬于冗余GM,具體功率信號見圖6(a)。GM1表示風力微源,處于不同工況下時發(fā)生了輸出功率的明顯變化;GM3、GM5都屬于光伏微源,不同工況下的輸出功率基本一致。

(a) 原始功率輸出波形

(b) 信號EEMD分解圖6 原始功率輸出波形和EEMD分解結(jié)果

對以上微源初始輸出功率通過EEMD分解再根據(jù)低頻分量完成功率的排序,圖6(b)給出了EEMD分解的具體波形。結(jié)果表明,上述策略不僅能夠達到動態(tài)冗余的效果,還能獲得更高的微源利用率。

處于恒定的光強、溫度與額定風速時,獲得了160 V的直流鏈電壓。圖7給出了橋臂中無冗余GM時進行仿真得到的波形曲線。可以明顯發(fā)現(xiàn),當系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)時,形成了對稱分布的穩(wěn)定三相線電壓,線電壓只發(fā)生了0.35%的小幅畸變。

圖7 系統(tǒng)無冗余時的仿真波形

系統(tǒng)經(jīng)過1 s運行后,A相上橋臂形成1個GM故障時對應的輸出電壓與頻譜見圖8,可以看到此時三相線電壓波形表現(xiàn)為明顯的不對稱分布狀態(tài),促使諧波畸變率提高至3.05%。

圖8 系統(tǒng)無冗余故障時的仿真波形

根據(jù)本文動態(tài)冗余控制方式,A相上橋臂產(chǎn)生1個GM故障的情況下得到了圖9的仿真結(jié)果。其中,三相線電壓經(jīng)過1 s后依然呈現(xiàn)對稱狀態(tài),畸變率減小至0.4%。由此表明,采用本文動態(tài)冗余控制方式可以使系統(tǒng)達到良好的可靠性。

圖9 動態(tài)冗余控制仿真結(jié)果

4 總結(jié)

通過EEMD分解技術(shù)提取到功率的低頻分量,確認功率排序所需的GM。EEMD分解策略不僅能夠達到動態(tài)冗余的效果,還能獲得更高的微源利用率。當系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)下時,形成了對稱分布的穩(wěn)定三相線電壓,線電壓只發(fā)生了0.35%的小幅畸變。三相線電壓波形表現(xiàn)為明顯的不對稱分布狀態(tài)時,諧波畸變率提高至3.05%。采用本文動態(tài)冗余控制方式可以使系統(tǒng)達到良好的可靠性。