交流微电网接口变换器控制策略研究①

郭清香, 国 海, 徐 锐

(安徽科技学院机械工程学院,安徽 凤阳233100)

0 引 言

随着全球环境问题日益严重,利用新能源的发电技术与储能技术不断的发展,各国日益重视微电网技术。分布式电源主要有直流型分布式电源与交流型分布式电源,直流型有光伏发电、燃料电池等,交流型有风力发电、微型燃气轮机等发电装置,其中燃料电池的技术复杂且成本较高,光伏发电受到自然条件的限制,风力发电更是受到地理条件的限制,只能适用于地广人稀的地方,目前,由于MTGS具有小型化、启动速度快、稳定性能好、输出特性好等优点适用于多种场合等优点成为世界新能源动力能源的核心技术[1]。MTGS与交流母线并网的接口变换器技术一直是提高电能利用率及电能质量的关键,近年来多采用双向脉冲宽度调制(PWM)变换器作为微燃机发电与交流母线的电力电子接口变换器[2],在传统的微燃机并网电能变换中,一般使用的交-直-交变换方式,这种方式通过将整流环节和逆变环节进行组合后才能实现电能的变换要求,由于经过两级变换,使电能的变换效率会降低,同时具有整流环节的功率因数比较低的缺点;矩阵变换器具有:输入输出特性好,输入因数可调,能量可双向流动,没有中间直流电路结构紧凑等优点,适用于交流型分布式电源的发电和并网接口。

1 基于MC的MTGS启动过程控制策略

由于微燃机不能自行启动,需要专用变频电源作为启动电源,所以要求高速永磁电机先工作在电动机模式,在MTGS达到正常状态后进入发电模式;MTGS输出的电能频率高于交流母线的工频频率,需要经过交-直-交两级变换后并网发电。传统的MTGS并网系统如图1所示:

图1 MTGS并网系统

将MC作为MTGS与交流母线接口变换器的 控制策略进行研究,MTGS正常工作发电时,电能通过MC流向交流母线,MTGS启动时需要通过MC从交流母线获取电能驱动PMSM,MC能量双向流动的优势可以得到充分应用。

MTGS的启动过程时,交流母线为PMSM提供电能,带动微型燃气轮机启动达到额定转速后进入发电状态,此时能量由交流母线侧流向微型燃气轮机侧。控制策略采用双空间矢量控制,由于微型燃气轮机内部机构比较复杂,启动过程仿真以PMSM为控制对象,矢量控制主要是控制PMSM的定子的三相电流,合成与q轴电流大小相等的电流,控制电流的幅值可以控制转矩,实现矢量控制。将三相AC-AC型MC与PMSM的矢量控制技术结合,合成转速为外环,电流为内环的双闭环控制系统模型如图2所示。工作原理:给定转速N*与PMSM反馈速度信号进行比较,经过速度调节器得到PMSM的i*q,为了实现矢量控制,给定为零,将实测静止坐标系下的电流i A,i B,i C利用式(1)进行3/2坐标变换到旋转坐标系下电流i d,i q。

将实际电流值与给定电流值在电流调节器内进行比较,经过调节得到U d,U q,再经过park反变换得出期望的电压值,结合交流母线侧检测的的相区及矢量角信号,进行SVPWM(Space Vector Pulse Width Modultion)调制,最后将调制信号控制矩阵变换器的开关状态实现基于MC_的PMSM矢量控制,控制系统原理图如图2所示。

图2 基于双空间矢量调制的MC-PMSM控制系统原理图

2 基于MC的MTGS发电过程控制策略

根据双空间矢量调制的基本原理,3-MC的调制可假想为虚拟整流与虚拟逆变两个部分,分别进行输出电压矢量调制和输入电流矢量调制,最后进行合成等效成交-交调制。微燃机侧与交流母线侧的电流控制涉及有功功率与无功功率的给定量,在两侧电压恒定的情况下,即给定了有功功率和无功功率,采用两侧无功电流为零控制方式,计算输入电流矢量角与输出电压矢量角,获得的电压的相位以及频率作为MC交流母线侧的相位和频率的给定;同时,采样双侧电流,通过旋转坐标变换得到dq轴电流,与dq轴给定量比较后进行PI调节,经过调节后的交流母线侧d轴电流作为微燃机侧的d轴电流的给定量,完成电流双闭环控制,之后两侧dq轴电流进行Park变换,通过SVPWM调制控制矩阵变换器的开关状态,达到控制能量双向可控传输的目的。基于矩阵变换器的MTGS并网系统原理图如图3所示。

图3 基于MC的MTGS并网系统

2.1 微燃机侧电流闭环控制系统

微燃机侧连接矩阵变换器可等效为虚拟整流环节,采用SVPWM控制策略,既根据拓扑结构建立数学模型,通过坐标变换,把微燃机发电系统的交流量变换为直流量,便于设计闭环调节器在两相同步旋转坐标系下通过对微燃机侧电流前馈解耦,引入微燃机侧电流进行交互前馈,d/q轴电流可实现独立控制,并且引入微燃机发电系统电压作为前馈,可以进一步提高系统的动态性能。通过建立数学模型,推导可得到下列方程:

式中,i jwd、i jwq为矩阵变换器微燃机侧d、q轴电流;i wq、i wd为微燃机发电系统d、q轴电流;e q、e d为微燃机发电系统d、q轴电压。

在微燃机发电系统电流闭环控制系统中,对控制量i kd、i kq有以下定义:

2.2 交流母线侧电流控制系统

矩阵变换器连接交流母线一侧可以等效成为虚拟逆变环节既虚拟逆变器通过滤波器连接交流母线。根据等效电路应用基尔霍夫定律可以得到三相静止坐标系下的方程,为了方便设计控制系统,建立与交流母线同步的旋转坐标系,对静止坐标方程进行坐标变换得到dq坐标下的状态方程,通过对交流母线电流进行前馈解耦,引入交流母线侧电流交互前馈,使系统能快速控制交流母线侧电流的相位和波形,引入交流母线侧扰动电压最为前馈补偿,在动态性能上得以改善,抑制干扰,采用电流闭环控制系统。通过建立等效模型,进行推导得出下列方程:

式中:v'md、v'mq是交流母线侧电流等效控制变量,可以单独控制d轴电流i md和q轴电流i mq,电流调节器输出决定控制量;电流调节器的传递函数为是交流母线侧电流d、q轴分量的给定值;u md、u mq为交流母线侧电压。

3 基于矩阵变换器的MTGS并网控制仿真分析

3.1 基于MC的MTGS发电过程仿真分析

在SIMULINK仿真软件中建立基于矩阵变换器连接微燃机与交流网络系统的主电路模型、微燃机侧控制模型、交流母线侧控制回路模型、SVPWM信号分配模型等,通过连接这些模型建立仿真系统。

微燃机发电系统正常工作,向交流母线侧供电稳态运行时,仿真波形如图4(a)与图4(b)所示,其中微燃机侧电压为500V频率1000Hz,交流母线侧电压为380V,频率为50 Hz,波形分别显示了微燃机发电系统输出的A相电压U m A和电流I m A,交流母线a相电压e a和电流I a。

图4 微燃机发电系统供电时稳态波形

在微燃机发电系统正常运行状态下,电流相位与电压相位一致,电能由微燃机侧流向交流母线侧,微燃机发电系统以单位功率因数向矩阵变换器提供电能,矩阵变换器以单位功率因数向交流母线提供电能。

当交流母线向微燃机侧进行能量流动时,交流母线电流相位与电压相反,交流母线以单位功率向矩阵变换器供电,而微燃机发电系统电流与电压相位差略小于Π,说明矩阵变换器不仅向微燃机侧输出有功功率,同时还提供了无功功率对微燃机发电系统进行无功补偿,交流母线侧供电时两侧稳态波形如图5(a)与图5(b)所示。

图5 交流母线侧供电稳态波形

仿真实验证明系统能精准的工作在所设定功率因数下,可以成功的实现电能双向流动,并且当微燃机侧电压与频率改变时,矩阵变换器的交流母线侧电压与频率总能稳定在380V/50 Hz,验证了所设计的基于矩阵变换器的微燃机发电系统与交流母线的连接是可行的。

为了验证微燃机发电系统连接交流母线系统的动态性能以及所设计的电流闭环控制的调节器的有效性,设计了交流母线侧的电流指令进行突变,图6(a)中交流母线侧电流指令由12A突变到24A,图6(b)中交流母线侧电流指令由24A突减到12A。

图6 交流母线侧供电交流母线稳态波形

由仿真波形可以看出动态特性良好,电流的幅值突增突减,系统可以很快的再次平稳的运行,因此可以验证该系统控制策略正确动态性能较好,闭环控制器设计准确。

3.2 基于MC的MTGS启动过程仿真分析

由于微型燃气轮机本机模型比较复杂,不是此次重点研究内容,所以仅利用模拟微型燃气轮机在启动时的输出转矩作为PMSM的负载转矩,交流母线由交流电源代替,基于MC的MTGS启动过程的仿真模型如图7所示。PMSM仿真参数如表1所示。

图7 基于MC的MTGS启动过程仿真模型

表1 电机主要参数

仿真结果如图8所示,PMSM的给定转速为3000r/min,在3μs时能够到达额定转速,进入到稳定的转速运行,可以正常启动MTGS。实现了PMSM由交流母线侧获得电能,经过基于MC的空间矢量调制策略,达到启动微型燃气轮机的额定转速,验证了控制策略的有效性。

图8 电机转速波形图

4 结 语

随着微燃机发电技术在分布式能源中所占的地位逐渐提高,对微燃机发电系统与交流母线连接的技术要求也越来越高,微燃机发电系统主要分为正常运行与启动阶段两个部分,微燃机发电系统与交流母线的电力电子接口要实现能量的双向流动,功率因数可调等功能,与传统的双PWM变换器相比,矩阵变换器具有,结构紧凑,具有良好的输入输出特性,功率能双向流动等优点,设计了基于矩阵变换器连接微燃机发电系统与交流母线,通过双空间矢量控制,进行仿真模拟,可以实现微燃机发电系统与交流母线良好的连接,可使系统工作在所需的功率因数下,成功实现功率的双向流动,并且在指定电流进行突变时,系统可以很快的再次工作在稳定状态下,动态特性良好。

此次研究为矩阵变换器应用与微燃机发电系统应用于微电网并网提供了一些参考,但还未进行样机及软件设计进行验证。