吴俊宏(1984—),男,硕士研究生,研究方向为直流输电与分布式发电。
分布式发电系统中改善
电能质量的方法
3
吴俊宏, 艾 芊
(上海交通大学电气工程系,上海 200030)
摘 要:在多个分布式发电装置与电网并网运行的条件下,提出了基于级联H 桥型五电平变流器的分布式发电并网方式,并设计了功率电流双环控制方法的有功、无功调节控制系统。最后利用PS CAD /E MT DC 仿真软件对其进行了仿真分析,结果表明该系统功率控制灵活,电流波形极好。
关键词:分布式发电;谐波畸变;有功无功控制;级联型H 桥;载波相移SP 2
WM
中图分类号:T M61 文献标识码:B 文章编号:100125531(2009)1220045205
Approach to I m prove Power Qua lity i n D istr i buted
Genera ti on Syste m
WU Junhong, A I Q ian
(Depart m ent of Electrical Engineering,Shanghai J iaot ong University,Shanghai 200030,China )
Abstract:W ith the grid 2connected operati on of multi p le distributed and power net w ork,the distributed gener 2
ati on grid 2connected method based on cascade H bridge five 2level converter was put f or ward .The active and reac 2tive adjusted res pective syste m of power 2current double 2l oop contr ol was designed .A t last,based on the s oft w are of PSCAD /E MT DC,the si m ulati on analysiswas done .The result showed that the syste m had flexible contr ol and good wavefor m.
Key words:d istr i buted genera ti on;har m on i c d istorti on;acti ve and reacti ve power adjusted respec 2ti vely;ca scade H br i dge;carr i er pha se sh i fted SP WM (CPS 2SP WM )
艾 芊(1969—),男,副教授,研究方向为F ACTS 技术与分布式发电。
3基金项目:国家863高技术基金项目(2007AA05Z458)
0 引 言
分布式发电(D istributed Generati on,DG )是通过规模不大(几十k W 到几十MW )、分布在负荷附近的发电设施进行经济、高效、可靠的发电,是一种环保、高效、灵活的发电方式,适合于现代城市中直接向居民供电。新型分布式发电技术主要有以下几种:发电容量为几十k W 到几百k W 的微型燃气轮机、从几k W 到MW 级的燃料电池、用于屋顶式太阳能发电的光伏电池发电技术以及迅速发展的储能技术[1,2]
。分布式发电已被世界各国所重视,成为21世纪电力系统重要的研究方向[3,4],且其在现代城市供电中有其独有的环保
和高效的优势。但分布式发电通过电力电子技术逆变器接入电网,其开关器件频繁的开通和关断易产生开关频率附近的谐波分量,对电网或者用户造成谐波污染
[5,6]
。所以,电力电子装置若能
工作在尽可能高的开关频率下,便能提高输出波形的质量,而大功率开关器件所允许的开关频率低。因此,通过对大功率变流器的电路拓扑和控制策略两方面进行研究,可以提高电力电子变流装置容量,并改善其性能
[7]
。
本文研究了级联变流器的电路拓扑结构,采用功率电流双环控制方法的功率控制策略。
级联多电平变流器具有I G BT 开关次数少、等效电平个数多、波形畸变率低等优点
[8]
。但级
—
54—
联变流器必须具有的直流电源
[9]
,这也
了它在电力系统中的广泛应用。本文在考虑现代化居民城市供电中有多个分布式发电装置的条件下,设计了一种基于级联H 桥型五电平变流器的分布式发电并网方式,如图1所示。该系统有6
个或以上分布式发电装置(微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池等),且考虑它们有功充足并控制直流端电压恒定相等。这种系统相对于各个分布式发电装置分别接入电网的情形,不但可以节省电力电子器件的数目(一个分布式发电直流电源逆变为三相电至少需要6个I G BT ),而且在较低开关频率下,实现等效电平个数多、等效开关频率高(4倍于开关频率)的效果,
得到波形更好的电流。
图1 级联型分布式发电系统
VSC 输出的电能质量,文献[10]指出应由电
压质量决定,但是对于连接有源网络的系统来说,电压不可控,电能质量取决于VSC 输出的电流质量。因此,本文采用了维持高电流质量的电流控制环,设计了功率电流双环控制方法的功率控制策略。该控制系统使用的电流控制环节,使逆变器输出的电流质量优于传统的控制方法。最后,本文利用PSCAD /E MT DC 仿真软件对整个系统进行了仿真分析,仿真结果表明所设计的分布式发电系统电流注入谐波极少且功率控制灵活。
1 级联H 桥型变流器及载波移相
P WM
单相级联H 桥变流器的拓扑结构如图2所示。整个系统由2个全桥整流模块级联而成,每个模块由4个带有反并联二极管的功率开关和1
个直流电容构成[11,12]
。图2 级联H 桥变流器
对于该级联H 桥变流器,本文采用载波移相
P WM (CPS 2SP WM )调制方法。CPS 2SP WM 技术是一种适用于大功率电力开关变流器的调制策略,能够在较低的器件开关频率下实现较高等效开关频率的效果(其等效的开关频率为实际开关频率的L x 倍,L x 为变流器单元数),不但使SP WM 技术应用于特大功率场合成为可能,而且在提高装置容量的同时,有效地减小输出谐波,提高了整个装置的信号传输带宽。除此之外,该技术还具备线性度好、控制性能优越等一系列优点。
单相CPS 2SP WM 技术的基本思想是:在变流器单元数为L x 的电压型组合变流器中,各变流器单元采用共同的调制波信号M (t ),其频率为ωm ,各变流器单元的三角载波频率为k c ωm (k c 为载波比),将各三角载波的相位相互错开三角载波周期的1/L x 。以图2为例,取k c =2,幅度调制比为0.8,取4列幅值相等、相位依次互差π/2的三角载波Tr 1(t )、Tr 2(t )、Tr 3(t )和T r 4(t )分别与同列正弦调制波M (t )进行调制。CPS 2SP WM 级联H
桥变流器相应的工作时序如图3所示[12214]
。具体调制方法为:
(1)初始相位为0的三角载波Tr 1(t )与调制
波M (t )相比较所得驱动信号g 1来驱动左半桥上开关管S1,与g 1互补的驱动信号g 4来驱动左半桥下开关管S4。
(2)初始相位为π/2的三角载波Tr 2(t )与调制波M (t )相交所得驱动信号g 1′来驱动左半桥上开关管S1′;,与g 1′互补的驱动信号g 4′来驱动左半桥下开关管S4′。
(3)初始相位为π的三角载波T r 3(t )与调制波M (t )相比较取反后的驱动信号g 2来驱动右半桥上开关管S2,与g 2互补的驱动信号g 3来驱动右半桥下开关管S3。
—
—
图3 载波相移示意图
(4)初始相位为3
π/2的三角载波Tr 4(t )与调制波M (t )取反后的驱动信号g 2′来驱动右半桥
上开关管S2′,与g 2′互补的驱动信号g 3′来驱动右半桥下开关管S3′。
对于图1所示三相系统,A 相CPS 2SP WM 控制方法如前文所述,B 相H 桥和C 相H 桥相应的CPS 2SP WM 调制方法与A 相H 桥的调制方法类似,A 相、B 相和C 相H 桥所采用的载波均为同一列载波,只是B 相H 桥、C 相H 桥的调制波信号分别滞后A 相H 桥调制波信号120°、240°。
2 控制器设计
该系统旨在不仅能控制有功、无功,更希望能得到高质量的三相平衡输出电流。设计的控制方式如图4所示,该控制框图包含两个控制环节:外功率控制环和内电流控制环。该控制系统忽略了
交流滤波器的作用,采用d 2q 旋转坐标系[15]
,在此坐标系下,有利于瞬时无功功率和有功功率的计算
。
图4 控制系统结构框图
2.1 功率控制环在d 2q 旋转坐标系下,有功和无功的瞬时功
率表达式为
p
q
=
U s D V s
Q -U s Q
V s D
I c D I c Q
(1)
其中,I c D 、I c Q 、U s D 、U s Q 分别为图1中交流母线处电流电压的d 2q 分量。 由式(1
)可通过注入电网有功无功的瞬时值计算出注入电网的电流瞬时值I c ref ,即
I c D ref I c Q ref
=
U s D U s Q -U s Q
U s D
-1
P s ref Q s
ref
(2)
因此功率模块设计如图5所示,其中电流计算模块为公式(2)。
图5 功率控制模块
2.2 电流控制环
d 2q 坐标系下VSC 换流器的数学表达式为
d
d t
I d
I q I 0
L =U c D
U c Q
U c 0
-R I d
I q
I 0
-U s D
U s Q
U s 0
-
-ωL 0ω
L 000
I d I q I 0
(3)
对于分布式发电系统,希望输出三相平衡电流,电流控制将消除逆变器的开关和外部扰动所
产生的非线性作用[15]
。根据式(3),电流控制模块如图6所示,它能向系统提供三相平衡的注入电流。P I 控制器用于将电流参考值与实际反馈回控制器的电流信号作比较,根据差量迅速进行调节,产生零稳态误差作用,从而补偿非线性扰动。
—
74—
图6 电流控制模块
3 仿真及结果分析
对图1中的分布式发电系统进行仿真,采用CPS2SP WM调制方法和上述功率控制策略,每个分布式发电装置直流电压均控制为1.2kV,变流器与母线相连的滤波电抗器为1mH,变流器等效损耗电阻R为0.2Ω,交流侧配电网母线电压取1.2k V,变流器开关频率取2kHz,但该系统的等效开关频率可达8kHz。运用PSCAD/E MT DC仿真软件对图1所示系统进行仿真分析。图7中, P s ref、Q s ref为参考指令功率(虚线),P s、Q s为实际输出功率(实线),功率为正代表分布式电源向系统传送功率,为负代表吸收功率。输出有功功率在0.7s时由6MW下降为4MW,1.4s时由4MW 下降为2MW;输出无功功率在2s时由1Mvar上升为4Mvar,2.8s时由4Mvar下降为-1Mvar。从图7可知,该控制系统能够很好地实现功率的跟踪控制,当参考功率变化时,控制系统能够迅速地改变输出功率,且暂态响应时间短,响应平稳。
图8给出了在该系统发出功率为6MW、1Mvar时电流、电压的波形图和频谱图,其中频谱图计及了1～127次谐波。从图8中可以看出,该变流器等效电平个数多(相电压为5V电平输出,线电压为9V电平输出),在127次谐波以内,除了基波分量外,几乎没有谐波分量,波形畸变率低,且电流波形非常平滑。经计算,线电压THD 值为2.13%,相电压THD值为2.71%,但相电流THD值仅为0.27%,达到了对电流质量预期的控制要求
。
图7
功率控制结果图
(a)
变流器输出线电压及相电压波形图
(b)
线电压频谱图
(c)相电压频谱图
—
8
4
—
(d )
输出三相电流波形
(e )A 相电流频谱图
图8 变流器输出电压电流波形图及频谱图
4 结 语
针对多个分布式发电装置的系统,本文提出了基于级联H 桥型五电平变流器的分布式发电
并网方式,该方式节省了电力电子器件,大大提高了分布式发电输出的电能质量。该并网方式与有功无功双环控制策略的结合,不但使功率跟踪响应迅速,更能减少谐波污染,极大改善电能质量,增强分布式发电装置的应用性能,具有实际的应用价值。
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收稿日期:2009203205
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