新聞主題	發(fā)電機并聯(lián)系統的功率分配研究

 

摘要：通過(guò)對同步發(fā)電機下垂特性和轉動(dòng)慣量等外特性的模擬，分布式逆變單元可表現出同步發(fā)電機特性，針對虛擬同步發(fā)電機（VSG）并聯(lián)系統的功率不能合理均分和環(huán)流等問(wèn)題，根據下垂方程和有功頻率下垂控制的單臺小信號方程推導了VSG并聯(lián)系統的功率均分公式，此種參數設計公式對于相同和不同容量的VSG并聯(lián)系統同樣適用，且在暫態(tài)和隱態(tài)情況下都可實(shí)現VSG按自身容量分配功率。仿真和實(shí)驗結果表明，按照本文所提出的功率均分公式設計并聯(lián)VSG參數，可實(shí)現相同和不同容量并聯(lián)VSG系統的功率均分。

 

一、虛擬同步發(fā)電機基本原理

 

       如何實(shí)現多臺VSG之間合理均攤負載功率，且實(shí)現“能者多勞”和“按需分配”是本文研究的重點(diǎn)問(wèn)題?；谙嚓P(guān)文獻研究，做了如下工作：以康明斯并聯(lián)系統為例（如圖1所示），根據轉子運動(dòng)方程推導了容量比和轉動(dòng)慣量、阻尼下垂、調節系數和下垂系數等參數間的關(guān)系，按照此關(guān)系設定VSG參數，可實(shí)現在動(dòng)態(tài)和穩態(tài)過(guò)程中VSG間的功率分配，實(shí)驗驗證了此控制策略的正確性和有效性。

      圖2為2臺VSG并聯(lián)系統的示意圖。圖2中，L_fi和C_fi（i=1，2）分別為2臺VSG的濾波電感和濾波電容，i_abci，u_oabci和i_oabci分別為VSG的濾波電流、輸出電壓和輸出電流。此處討論的并聯(lián)系統工作在孤島模式下，且帶一恒功率負載。VSG控制主要包括有功頻率下垂控制、無(wú)功電壓下垂控制和虛擬阻抗，本文只介紹下垂控制。

 

圖1  康明斯發(fā)電機組數字并機控制系統

圖2 發(fā)電機并聯(lián)示意圖

 

1、有功頻率下垂控制

     VSG有功頻率下垂控制的控制框圖如圖3所示。圖3中，柴油機調節方程如下式：

P_m=P_ref+K_ω（ω₀-ω）...............(公式1)

      式中，P_m為柴油機功率；P_ref為有功給定；K_ω為調差系數；ω₀，ω分別為額定和實(shí)際轉子角速度。

      轉子運動(dòng)方程如下式：

 

 

      式中，P_e為電磁功率；D為阻尼系數；J為虛擬慣量；θ為功角。

      根據式（1）、式（2）以及圖3可知，逆變器可實(shí)現有功頻率下垂控制，實(shí)現多逆變器之間的有功功率均分，可保證并聯(lián)逆變器輸出頻率一致。
 

2、無(wú)功電壓下垂控制

 

      VSG無(wú)功電壓下垂控制的表達式如下：

U_ref=U_N+K_U（Q_ref-Q）...............（公式3)

      式中，U_N為額定電壓；K_U為無(wú)功電壓下垂系數；Q_ref，Q分別為給定和實(shí)際無(wú)功。

      圖4為無(wú)功電壓下垂控制框圖。VSG可實(shí)現無(wú)功電壓下垂控制，逆變器可參與電網(wǎng)功率調度，滿(mǎn)足電網(wǎng)要求。

 

圖3  發(fā)電機有功頻率下垂控制

圖4  發(fā)電機無(wú)功電壓下垂控制

 

二、VSG并聯(lián)功率均分控制策略

 

      2臺VSG并聯(lián)系統的簡(jiǎn)化模型如圖5所示。圖5中，U₁和U₂為VSG輸出電壓幅值；φ_i（i=1，2）為VSG和公共交流母線(xiàn)的相角差；Z₁，Z₂和Z_L分別為VSG₁，VSG₂的線(xiàn)路阻抗和負載阻抗。假定阻抗為感性環(huán)境，則Z₁=ωL₁，Z₂=ωL₂。為簡(jiǎn)化分析計算，以2臺VSG并聯(lián)為例。設2臺VSG的有功功率比值和無(wú)功功率比值都為n，即P₁∶P₂=Q₁∶Q₂=n。

 

圖5  發(fā)電機并聯(lián)系統圖

 

1、有功功率均分

      若多個(gè)變換器并聯(lián)運行以按照各自容量比均分有功功率，可降低各電路中開(kāi)關(guān)器件的電流應力，有利于開(kāi)關(guān)器件的選擇。在穩態(tài)工作點(diǎn)處，對式（1）和式（2）進(jìn)行小信號擾動(dòng)，整理化簡(jiǎn)得出孤島帶載運行的VSG的小信號模型為

 

 

      式中，m_p為VSG的有功頻率下垂系數；t為VSG控制中慣性環(huán)節的慣性時(shí)間常數。由式（5）可以看出，VSG控制的本質(zhì)是一種下垂控制，具體來(lái)說(shuō)，是一種慣量時(shí)間常數較大的下垂控制。根據P—?下垂關(guān)系：

ω=ω₀-m_pP...............（6)

      2臺VSG并聯(lián)穩態(tài)運行時(shí)，此系統中各點(diǎn)處的角頻率處處相等，即ω₁=ω₂=ω。所以，m_p1P₁=m_p2P₂，此時(shí)，有功功率滿(mǎn)足：

 

      可見(jiàn)，有功頻率下垂系數mp與VSG的有功功率成反比。由式（5）可知，阻尼系數D和調差系數Kω均與有功頻率下垂系數mp呈反比。又由式（7）可知，有功頻率下垂系數mp與有功功率成反比，所以，阻尼系數D和調差系數Kω均與VSG有功功率成正比，即

 

      VSG并聯(lián)系統的慣性時(shí)間常數t由前級儲能裝置決定，故是一常量；根據式（5）可知，即轉動(dòng)慣量J與有功頻率下垂系數mp成反比，此時(shí)：

 

      整理式（7）~式（9）可知，若VSG的重要參數滿(mǎn)足下式，則并聯(lián)的VSG在運行過(guò)程中即可實(shí)現有功功率的均分。

 

      當并聯(lián)VSG系統參數設計滿(mǎn)足式（10）時(shí)，可實(shí)現有功功率均分。

2、無(wú)功功率均分

      如果并聯(lián)變換器之間存在無(wú)功環(huán)流，會(huì )增大系統損耗，影響并聯(lián)逆變器的穩定運行。為解決此問(wèn)題，下面討論如何均分無(wú)功功率。當逆變器工作在穩態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，考慮各臺VSG的實(shí)際線(xiàn)路阻抗的影響，根據無(wú)功電壓下垂控制方程式（3）可得：

K_U1Q₁+U_Z1=K_U2 Q₂+U_Z2...............（公式11)

      式中，K_U1，K_U2分別為VSG₁和VSG₂的無(wú)功電壓下垂系數；Q₁，Q₂分別為VSG₁和VSG₂輸出的無(wú)功功率；U_Z1，U_Z2分別為2臺VSG線(xiàn)路阻抗上的壓降。

      從式（11）可以看出，由于實(shí)際線(xiàn)路阻抗的影響，即使滿(mǎn)足無(wú)功電壓下垂系數與無(wú)功功率比n成反比，也無(wú)法保證無(wú)功功率均分。

      由圖4可知，PCC點(diǎn)的電壓可表示為

      對于穩定運行的并聯(lián)系統，ω1=ω2=ω。由于p1和p2比較小，sin p1=p1，sin p2=p2，cos p1=1，cos p2=1，整理式（13）可得：

 

 

      在輸出阻抗呈感性的情況下，逆變器輸出的有功功率可表示為

       又因為輸出阻抗呈感性，所以，Xi=ωLi，即X1/X2=L1/L2，將其帶入式（16）整理得：

      綜上可得：

      當并聯(lián)VSG系統的參數設計滿(mǎn)足上式時(shí)，系統的無(wú)功功率可實(shí)現均分。結合式（10）和式（20）可得：

      不失一般性，若要實(shí)現不同容量VSG并聯(lián)時(shí)的有功和無(wú)功均分，須滿(mǎn)足以下條件：虛擬慣量J，阻尼D，調差系數Kω和容量比n成正比，有功頻率下垂系數mp和無(wú)功電壓下垂系數KU與容量比n成反比。

 

三、仿真和實(shí)驗驗證

 

1、仿真分析

      仿真開(kāi)始的時(shí)候，VSG₁帶載正常工作，在0.2s時(shí)打開(kāi)VSG₂的并聯(lián)預同步單元，0.5s時(shí)關(guān)閉并聯(lián)預同步單元，同時(shí)投入VSG₂，此時(shí)VSG₁和VSG₂并聯(lián)帶載運行。按照式（21）在VSG仿真模型中設計2臺VSG控制環(huán)路參數，仿真波形如圖6所示。由圖5可知，有功和無(wú)功功率可實(shí)現良好的均分。驗證了參數設計公式的正確性。

 

圖6  發(fā)電機VSG并聯(lián)功率均分的仿真波形

 

2、實(shí)驗驗證

      為驗證前文推導的式（21）的正確性，搭建實(shí)驗樣機。不考慮前級儲能裝置特性，380V交流電通過(guò)調壓器及不控整流電路向逆變電路供電，考慮到安全因素，將交流側輸出相電壓幅值設置為40V，功率開(kāi)關(guān)管為IPM電力電子器件。

      首先，VSG₁帶22Ω負載單獨運行，啟動(dòng)并聯(lián)預同步，待2臺VSG輸出電壓相位一致后，切除并聯(lián)預同步單元的同時(shí)，投入VSG₂，此時(shí)，2臺VSG并聯(lián)帶載運行，某一時(shí)刻突加22Ω負載。其中，2臺VSG參數按照式（21）設定，其參數設定是一致的。

      負載投入動(dòng)態(tài)過(guò)程和空載到帶載，并聯(lián)動(dòng)態(tài)過(guò)程中不會(huì )產(chǎn)生電流沖擊，且幾乎不對交流母線(xiàn)電壓產(chǎn)生影響，快速實(shí)現了2臺VSG并聯(lián)和電流均分。加減載動(dòng)態(tài)過(guò)程中，無(wú)明顯電流沖擊，且均分電流速度快，說(shuō)明采用此控制策略的動(dòng)態(tài)過(guò)程良好。2臺同等容量的VSG輸出電流都為4A，且相位基本一致，說(shuō)明在2臺VSG能按照1∶1的容量比分配負荷。

      實(shí)驗開(kāi)始時(shí)，VSG₁和VSG2空載運行，打開(kāi)VSG₂并聯(lián)預同步單元，當檢測到2臺逆變器輸出電壓的相位一致后，切除并聯(lián)預同步單元的同時(shí)，閉合并聯(lián)開(kāi)關(guān)。投入大約10Ω負載，觀(guān)察不同容量VSG并聯(lián)的電流均分效果。其中，2臺VSG參數按式（21）設定，2臺VSG容量比n為5∶3。

      圖7和圖8為不同容量VSG并聯(lián)實(shí)驗波形。由圖7和圖8可以看出，空載并聯(lián)的2臺VSG動(dòng)態(tài)特性良好，輸出電流相位一致，且幅值分別為5A和3A，即不同容量的VSG并聯(lián)時(shí)能實(shí)現按照容量比分配功率。這樣，大容量逆變器可承擔較大電流，可充分發(fā)揮其自身大容量?jì)?yōu)勢；流經(jīng)小容量逆變器的電流較小，不會(huì )帶來(lái)過(guò)載問(wèn)題而損壞器件，從而提高微網(wǎng)運行可靠性和效率。

 

圖7 發(fā)電機空載到帶載輸出波形

圖8 發(fā)電機穩態(tài)波形

 

四、結論

 

      本文研究了考慮不同容量并聯(lián)VSG電流均分控制策略，實(shí)驗結果驗證了本文所推導的式 （21）的正確性，并得到以下結論：

（1）在功率均分方面，本文推導了適用于并聯(lián)系統功率均分公式，可實(shí)現相同容量和不同容量并聯(lián)VSG按照自身容量分擔負載功率，有利于微網(wǎng)穩定運行；

（2）在動(dòng)態(tài)特性方面，突增突減負載的實(shí)驗結果說(shuō)明VSG具有良好動(dòng)態(tài)特性，且并聯(lián)過(guò)程無(wú)明顯電流沖擊，響應速度快；

（3）在VSG參數設計方面，按照本文推導的關(guān)于功率均分的公式設計虛擬慣量J，阻尼系數D，調差系數Kω等VSG參數，可實(shí)現VSG并聯(lián)穩定運行。

----------------
以上信息來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)新聞，特此聲明！
若有違反相關(guān)法律或者侵犯版權，請通知我們！
溫馨提示：未經(jīng)我方許可，請勿隨意轉載信息！
如果希望了解更多有關(guān)柴油發(fā)電機組技術(shù)數據與產(chǎn)品資料，請電話(huà)聯(lián)系銷(xiāo)售宣傳部門(mén)或訪(fǎng)問(wèn)我們官網(wǎng)：http://