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大功率直流稳压电源直流微电网如何抑制不平衡负载电压下的脉动呢?

针对不平衡负载引起的大功率直流稳压电源直流微电网电压脉动问题,在分析脉动电压产生原因的基础上,提出了基于超级电容器的直流母线电压脉动抑制方法,并设计了基于滑模控制的超级电容器电流控制策略,实现对参考电流的快速准确跟踪。

采用二阶滑模控制的超螺旋算法不存在传统滑模控制的抖振问题,此外对所提控制策略的稳定性和鲁棒性进行了深入分析。考虑最严重的负载不平衡情况,设计了超级电容补偿装置的参数。最后在RT-LAB实时仿真平台上建立了大功率直流稳压电源直流微电网仿真模型,对相关理论分析和所提控制策略进行了验证。

微电网是分布式电源供能的一种有效途径及发展趋势[1]。根据分布式电源和负载的接入方式,微电网分为交流微电网和大功率直流稳压电源直流微电网[2]。近年来,随着电源及负载组成的变化,大功率直流稳压电源直流微电网获得了广泛关注,在居民住宅、数据中心及电动汽车充电站等领域具有广阔的应用前景[3,4]。

直流母线电压是衡量大功率直流稳压电源直流微电网功率平衡以及电能质量的唯一指标。当交流电网发生不对称故障或负载出现不平衡(如单相负载或三相不平衡负载通过三相AC-DC换流器接入大功率直流稳压电源直流微电网)时,电网电压、电流或负载电压、电流中会出现负序分量。

在传统的接口换流器的控制算法中,会通过换流器在直流侧引入2倍频功率波动,进而导致直流电压出现2倍频脉动。直流电压的2倍频脉动,会在大功率直流稳压电源直流微电网的换流器中产生2次纹波电流,浪费换流器容量,同时严重影响蓄电池和光伏电站的正常运行[5]。因此,研究大功率直流稳压电源直流微电网电压2倍频脉动的抑制策略十分必要。

大功率直流稳压电源直流微电网电压2倍频脉动的抑制方法有两种:①改进接口换流器的控制策略;②为脉动功率提供通路。文献[6]提出交流电网电压不平衡情况下AC-DC换流器的控制策略,该控制策略以消除注入交流电网的有功功率脉动为目标,实现了直流侧电压脉动的抑制,但交流侧电流存在较大畸变。文献[7]提出了兼顾直流侧电压质量及交流侧电流质量的控制策略。文献[8]提出负载不平衡情况下三相逆变器的控制策略,该控制策略以负载电压三相对称为控制目标,但由于负序电流的存在,并不能消除直流侧电压的脉动。

综上所述,对于与交流电网接口的双向DC-AC换流器,在交流电网电压不平衡时,通过换流器的控制,可以抑制直流电压脉动;但对于与交流负载接口的DC-AC换流器,负载不平衡时,在保证负载的电能质量的同时,不能达到抑制直流电压脉动的目的。因此,针对负载不平衡引起的直流电压脉动,本文借鉴有源滤波的方法,提出在负载侧安装补偿装置,为脉动功率提供通路,进而抑制直流母线电压脉动。

目前,通过增加补偿装置(即母线电压调节器[4])抑制单相整流系统的直流母线电压脉动以及提高级联系统的直流母线电压稳定性已有文献报道[9-11]。文献[9,10]提出在单相整流器的直流侧附加储能电容吸收直流侧电容上的脉动功率,从而平滑直流电压波动。但附加电容的充放电过程采用开环控制,其占空比直接由参考电流计算获得,缺少对参考电流的跟踪控制环节,因而不能实现高精度控制。

此外,附加电容采用薄膜电容器,其在充放电时间、使用寿命和环保性等方面相对于超级电容器有较多不足。文献[12,13]提出利用超级电容器抑制电网电压不平衡引起的直流电压脉动。其中文献[12]采用PI控制器跟踪直流侧电流误差,从而控制超级电容器充放电,但当直流电流含有2倍频交流分量时,PI控制不能实现无差调节;文献[13]提出了基于准PIR控制的超级电容电流控制策略,能抑制直流电压脉动,但控制器性能受参数影响较大,参数整定过程较复杂[14]。

滑模控制器无需精确的系统模型,易于设计控制率,能够实现对交流量的无差调节[15],目前已应用于不平衡电网电压下并网逆变器的控制,实现了对并网电流参考值的快速准确跟踪[6]。文献[16]对滑模控制(Sliding-Mode Control, SMC)在母线电压调节器中的应用进行了初步探索,所设计的控制策略以抑制直流分布式供电系统的母线电压瞬变为目标,但从直流电压的波动范围来看,其控制效果不够显著。

为此,本文首先详细分析了不平衡负载对大功率直流稳压电源直流微电网的影响,然后提出基于超级电容器的大功率直流稳压电源直流微电网电压脉动抑制方法。根据超级电容补偿装置的数学模型,设计基于SMC的超级电容器电流控制策略,并分析所提控制系统的稳定性和鲁棒性。考虑最严重的负载不平衡情况,给出超级电容补偿装置的参数设计方法。最后建立大功率直流稳压电源直流微电网模型,并在RT-LAB实时仿真平台上对相关理论分析和所提控制策略进行验证。

图1  大功率直流稳压电源直流微电网结构
大功率直流稳压电源直流微电网如何抑制不平衡负载电压下的脉动呢?

图5  实时仿真平台
大功率直流稳压电源直流微电网如何抑制不平衡负载电压下的脉动呢?

结论
本文通过理论分析和仿真研究得出以下结论:

1)不平衡负载下直流侧将注入2倍频电流,引起直流母线各节点电压出现不同程度脉动。
2)本文提出的基于超级电容器的电压脉动抑制方法在不同性质的不平衡负载条件下均能有效抑制大功率直流稳压电源直流电压脉动。采用的滑模控制器在保证控制系统稳定性的同时能实现对参考电流的快速、高精度跟踪,并且在系统参数变化时仍具有较强的鲁棒性。该方法控制结构较简单,易于实现,具有一定工程应用价值。
3)所提出的超级电容补偿装置的参数设计方法简单可靠,避免了超级电容器的容量浪费。

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