同步控制逆变电源并网预同步过程的研究

ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　ＷＯＲＬＤ·技术交流　同步控制逆变电源并网预同步过程的研究　珠海兴业新能源科技有限公司　刘海鹏　【摘要】现如今，光伏发电已经逐渐成为新能源发电主流能源利用型式，光伏发电普遍以分布式型式接入电源，考虑到太阳能地域分布、辐　射量时间分布不均，且随着分布式电源渗透率的不断提高，传统同步发电机已经不能满足光伏电力系统的接入需求。本文希望采用并网同步　控制逆变电源与负荷共同组成微电网，探讨基于下垂控制特性的逆变电源并网预同步控制过程，最后介绍了基于ｖｓＧ微电网逆变器的逆变电　源并网预同步控制策略。　【关键词】预同步控制；逆变电源；控制；ＶＳＧ；下垂特性；微电网　微电网其本质是由多个微电源与负荷所共同组成的集合型系统，它　由上述算式可知，当（　一吐　／２＋（　一　），２＝ｏ时，逆变电源的　具备孤岛与联网两种工作模式，被称为分布式发电领域的重要分支。在　微电网所构成的体系中，大部分电源都是通过逆变器作为接１２１接入设备　的，所以对微电网而言，对逆变器的高质量控制是相当必要的。　一　微电网中逆变电源的控制　（一）逆变器控制　微电网中对逆变器的控制分为两种：幅频控制和功率控制。其　中功率控制依据电流源模式展开控制，它依靠控制逆变电源所输出　的ｄ、ｑ两轴电流来做到对电网输出有功、无功功率的控制，这种方　法高效且简易，已经被广泛应用于微电网的联网运行模式中。所以　说，微电网的孤岛运行是基于多个分布式电源并联来实现供电的，　由于没有大电网对它的电压及频率提供电力支撑，所以它必须通过　若干个发电电源来作为系统的幅频控制节点，达到确保母线电压幅　值及频率的共同稳定。本文所探讨的同步控制逆变电源是基于下垂　特性理论展开的，依据这一特性，逆变电源能够实现自动决定所输　出电压的幅值及频率，这里综合借鉴了电力系统中“有功调频、无　功调压”的调节理念，再经过对逆变电源的输出电压、电流检测信　息来实现最终的系统电压稳定供应，最后达到功率均分。　（二）ＶＳＧ控制　由于在下垂控制理论下的逆变电源相比于传统同步发电设备在惯　量上表现较为薄弱，所以它对电力系统机械的惯性贡献也更小，这就使　电力系统的电压与频率稳定性趋于劣势。另外，现有分布式电源的并网　接口形式较为多样，而且控制策略也相对繁琐，这也使许多电力上网动　态模型难以达到模式统一，让电力系统中某些较为成熟的调控技术无法　正常发挥，所以基于此问题，业界就研究了围绕虚拟同步理念所设计的　ＶｓＧ（ｖｉｒｔｕａｌ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）发电机，它以电力电子逆变器的并　网分布式发电系统来建设，并配备了电能储能环节，通过并网逆变电源　控制算法来实现对同步发电机的并网预同步过程，￣］ＶＳＧ控制。　因为在ＶＳＧ发电机中，锁相环测量与合闸开关动作是存在误差　的，所以必须在逆变电源中接入微电网，并着手解决其频率、相位完全　同步的问题。所以本文提出在非理想并网合闸条件下，基于微小频率差　来降低合闸开关动作误差。因此同步控制逆变电源在并入微电网以后就　会出现相位同步及追踪过程，这一过程也被称为并网预同步过程Ⅲ。　＝．以下垂控制为核心的逆变电源并网预同步控制过程　预同步发电机的理想并联合闸条件就是在各发电机输出段电压幅　值、相序、相位及频率都相同时，判断并满足逆变电源的并网预同步　控制过程。利用预同步控制可以调节同步发电机中的励磁电流，并使　二者电压幅值相同。如果电压与相序相同却频率不同时，还可以基于　相量图机组电压来实现对发电机的控制。而如果频率相等，相位差固　定不变，此时相位是无法进行调节的，这就说明了在合闸后的瞬时电　压还是存在一定偏差的。所以对预同步发电机而言，正是这种电压差　的存在才出现了自整步功能，让发电机能够实现并网预同步过程。　（一）频差电压的计算　假设逆变电源母线为Ｄ相电压，就有：　＝　面（　ｆ＋　）　在上述算式中，“ｏ代表母线Ｄ相的电压幅值、埘口为角频率、　为初相角。因此在并入电源ａ相输出电压就应该为：　Ｈ。＝“ｏｅ　屿ｔ＋　）　如果并入逆变电源与母线的电压幅值和相序都一致，而频率方　面仅存在较小偏差，则可以定义频差电压为：　＝　Ｄ一“。＝／２０ｓ矗《　Ｄｒ＋　）一“０　（　ｆ＋　）　（％一　＋（ｏｃ一　）　·１３２·电子矗ｌ，●　频差电压就应该为０。　（二）基于下垂的预同步控制　考虑到逆变电源合闸开关动作时间是存在一定误差的，所以要　在假设误差时间之后，假定所完成的合闸时刻待并入电源频率＞发　电机频率，电压幅值相等。基于此，当合闸完成后，电压之间就会　出现相角差，因此预同步过程也会使得相角差逐渐减小，而ＶＧＳ发　电机由于惯性其频率也会处于缓慢增加状态。当相角差足够小时，　基于下垂控制计算的逆变电源频率就会发生快速变化。当相角差为　０时，逆变电源与电压之间会处于不相等状态，此时相角差就会再　次被反向来开。所以整体来看，基于下垂控制的逆变电源频率变化　幅度是相当剧烈的，如图１所示［２１。　，ｌ　｝　，　；＼　Ｐｍ１　０　尸－　图１预同步逆变电源的同步控制示意图　兰，基于ＶＳＧ的逆变电源并网预同步控制策略　～　ＶＳＧ具备两种特性：同步发电机定子电气特性和引入虚拟转子　㈧　轴的转子特性，所以基于同步发电机的调速理论来引入虚拟调速概　念是可行的。这里利用到了Ｐ／ｆ功率调节下垂特性，并基于同步发电　机励磁机理来引入虚拟励磁概念。这其中包括对输出电压的控制、　以Ｏｍ下垂特性为主的电压调节以及由电源输出电压幅值计算为主　的无功功率目标值输出等等。　如果忽略发电机的自身损耗，就可以得到图２中基于ＶＳＧ控制　的基本框架示意图，如图２所示。　图２基于ＶＳＧ控制理念的框架示意图　如图２所示，在引入虚拟转轴后，逆变电源中的电机转子在加　减速方面就会得到系统指令，令内电势频率发生一定惯性变化。而　对于电压幅值来说，ＶＳＧ的控制会让虚拟励磁装置在转子绕组方面　产生一定电气惯量，从而限制内电势幅值的突变，这让基于ＶＳＧ控　制的逆变电源产生了惯量。　另一方面，在同步控制逆变电源的并网预同步过程中，它的运行　频率应该为ｆＩ所以要根据下垂线找出原动机指令并得出Ｐ　．＜０这一结　论后再完成合闸，此时的相角差＞０，且ＶＳＧ输出电磁功率　０。根据虚　拟轴系运动方程可以得到以下结论，当ＶＳＧ虚拟轴上受到制动性质的转　矩使虚拟转子减速运行时，同步发电机转子将会加速运行。考虑到该　系统存在较大惯性，所以当ＶＳＧ与同步发电机频率首次相同时，它的相　角差一定不会为０，而ＶｓＧ则会继续减速直到最小值，随后再加速。同　（下转第１３６页）　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　ＷＯＲＬＤ·技术交流　廖　＿　，３线圈测试数据分析　三维正方形亥姆霍兹线圈加工完毕后，通过对三个补偿绕组　进行调节补偿，将三轴方向的环境磁场补偿到零，在线圈的中心附　近区域形成近似于零磁场空间。对　、ｙ、ｚ每个轴的复现绕组分别　通入电流，测试相应轴向的各位置点磁场强度，计算得到线圈常数　并计算出与中心点的线圈常数偏差ｙ，如表２、表３所示。　通过测试数据分析，　ｙ、ｚ轴中心点附近　Ｏ．１５　ＩＴＩ的球形空间　内均匀性分别为０．０２７％，０．０１６％、０．０３０％；中心点附近舻Ｏ．２５　ｍ的　球形空间内均匀性分别为０．０６８％，０．０５２％、Ｏ．０３３％。三维亥姆霍　兹线圈在　０．１５　ｎｌ的球形空间内达到Ｏ．０５％，　Ｏ．２５　ｍ的球形空间内　达到０．１％，实现了设计要求。　图４三维线圈外形图　图５绕组位置　表２中心区ｐ０．１５，，ｌ的球形空间内均匀性测试　空间位置点　Ｄ　７　轴向　Ｋ　／（ｎ　｜Ａ、　５８　８４９－３０　５８　８４６．３ｌ　５８　８３６．８７　５８　８６５　３０　５８　８６２．６８　５８　８５９　６９　５９　３０５．６９　５９　３１４．９７　５９　３０９．２１　５９　３０５．８４　５９　２９７＿３Ｏ　５９　３０８－３Ｏ　５８　６６８．５ｌ　５８　６８３．５０　５８　６８５．２７　５８　６８６　４２　５８　６７９．２８　５８　６８２．６３　线圈常数偏差ｖ　一０．００５％　－０．０２１％　０．０２７％　０．０２３％　０．０１８％　Ｏ．Ｏｌ６％　０．００６％　Ｏ．ＯＯ１％　一０．０１４％　０．００４％　０．Ｏ２６％　０．０２９％　０．０３０％　０．０１８％　０．０２４％　Ｘ　８　９　１Ｏ　１２　Ｄ　７　８　４结束语　文中分析了正方形亥姆霍兹线圈产生的轴线上以及空间磁场的　磁场强度，给出其数值计算公式，并对一组三维亥姆霍兹线圈的设　计及制作工艺进行了分析。通过分别测试目标区域内　ｙ、ｚ轴边　界位置点的磁场强度，得到线圈各点的线圈常数，并与中心点比较　计算出线圈常数偏差。在中心点附近　０．１５　ｍ的球形空间内均匀性　为０．０３％，中心点附近　Ｏ．２５　ｍ的球形空间内均匀性为０．０７％。由于　加工等误差因素的存在，实测磁场的均匀性比理论计算值略低，能　够较好满足目标均匀区内磁场均匀性的设计指标。　参考文献　Ｉ，　９　ｌＯ　ｌ２　Ｄ　７　Ｚ　８　９　１Ｏ　１２　表３中心区ｐＯ．２５　ｍ的球形空间内均匀性测试　轴向　空间位置点　Ｄ　ｌ　２　Ｋ　｜　ｎ　｜　、　５８　８５３．８５　５８　８ｌ３．８２　５８　８１６．２９　线圈常数偏差ｖ　－０．０６８％　．０．０６４％　３　４　６　Ｄ　５８　８５６．１３　５８　８４９．３３　５８　８５５．０６　５９　２７７．０３　０．００４％　－０．００８％　．０．００２％　０．０００％　０．０１２％　．０．０４７％　．０　０５２％　０　００６％　０．００２％　．０．０２７％　０．０３３％　．０．００６％　０　０２１％　ｙ　１　２　３　４　６　Ｄ　５９　２７７．０３　５９　２８４．１６　５９　２４９．Ｏ２　５９２４６－３３　５９　２８０．８８　５８　６６７．４４　５８　６６８　５８　５８　６５１．５２　５８　６８６．８３　５８　６６４．０１　５８　６７９．５４　【１】张景鑫，许亚峰，刘明非．磁场空间技术［Ｍ】．中国标准出版社，２０１２．　［２】刘继亮，李德胜，林恩怀等．方形亥姆霍兹结构优化设计［Ｉ】．仪器　仪表学报，２０１０．８，８（３１）：１２５—１２８．　【３】王红强，金海强，杨涛．磁线圈对地磁场的物理模拟及对地磁导　航的研究意义［１］她震地磁观测与研究，２０１０．６，３（３１）：１—６．　［４】蔡欣华，张金生，樊宇韬等．基于亥姆霍兹线圈理论的磁场模拟　生成装置【ｌ１＿计算机仿真，２０１４．７，７（３１）：５４－５９．　【５】吕志峰，贺浩，张金生等．仿真地磁的磁场模拟装置　电光与控　制，２０１４．６，２１（６）：７６—８１．　【６】李享，程华富，韩晓东．利用三周磁场线圈模拟地球空间　磁场技术研究『ｃ１．中国船舶重工集团公司中西南地区计量论文　集．２０１１．１２：２１－２６．　Ｚ　ｌ　２　３　４　６　（上接第１２５页）　了测试，完成了基于ＰＬＣ的空压机冷却水循环控制系统的设计。　４．结论　本文首先简要概述了空气压缩机的历史发展情况，强调了其在工　业和生活中的重要性，然后详细介绍了空气压缩机冷却水循环系统的　结构及其控制要求，在此基础上，本文对空压机冷却水循环的ＰＬＣ电　气控制系统的硬件和软件设计，在硬件上，选用西门子公司的ｓ７．２００　系列ｃＰｕ２２４为核心控制器，配以温度、水位和压力等传感器，模数　信号转换选用ＥＭ２３５转换器，主电路选用接触器、断路器和热继电　器等，选用ＭＭ３４３０变频器对电机进行调速。在软件上，运用ＳＴＥＰ　７－Ｍｉｃｒｏ／ＷＩＮ软件对ＰＬＣ进行梯形图的编程，程序包含模拟量参数的采　集与数值转换、温差速度控制和故障报警等子程序，最后对系统进行　参考文献　【１Ｊ庞科旺＿袁文华．ＰＬＣ电气控制系统设计及应用【Ｍ】．北京：中　国电力出版社．２０１４．９．　【２】梁慧斌．李学华．西门子ＰＬＣ在空压机站智能控制系统中的应　用卟煤矿机械，２０１２（４）．　【３】李淑芬．空压机站智能控制系统中西门子ＰＬＣ应用研究ＵＪ．信　息技术与信息化，２０１５（０４）．　【４】龚威．张树臣．实例解读西门子ＰＬＣ【Ｍ】．北京：中国电力出版　社．２０１３．２．　（上接第１３２页）　时，同步发电机转子其转速也会发生相同变化，在如此运行往复后，　ＶＳＧ会最终稳定运行于某一点，使转子频率与同步发电机完全相等，此　时，预同步过程就宣告全部完成嘲。　四．总结　根据本文论述可知，基于ＶＳＧ控制的同步发电机、逆变电源之间　是存在许多相似特性的，它们都利用到了下垂特性，并通过虚拟调速系　统作用在虚拟转子轴系上完成对发电机中内电势频率的控制，很好的限　制了内电势可能发生的频率突变与幅值突变现象。另外，基于ＶＳＧ控制　的逆变电源在并网合闸方面也具有较强的快速追踪特性，为电力系统的　机械惯量作出了可观贡献，是电力系统未来保持稳定运营的关键。　·１３６·电子世界　参考文献　［１】王克，王泽忠，柴建云等．同步控制逆变电源并网预同步过程分　析卟电力系统自动化，２０１５，３９（１２）：１５２—１５８．　［２】王克．基于虚拟同步发电机的风力发电系统接口特性的研究【Ｄ】．　华北电力大学（北京），２０１５．１９－２０．　［３】郑燕．基于虚拟同步发电机的光伏逆变器并网控制的研究【Ｄ】．　安徽理工大学，２０１５．３６—３７．　作者简介：　刘海鹏（１９８６一），男，内蒙古赤峰人，大学本科，助理工程　师，研究方向：电子信息科学、机电工程。