朱晓荣 张雨濛 荆树志
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朱晓荣 张雨濛 荆树志 DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170841  1 导语 直流母线电压是衡量直流微电网功率平衡以及电能质量的唯一指标。直流电压脉动会影响直流微电网的电能质量，以及蓄电池和光伏电池的正常运行。华北电力大学朱晓荣团队在深入研究交流不平衡负载接入对直流微电网电压的影响的基础上，提出了基于超级电容器的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，设计了基于滑模控制的超级电容器电流控制策略，并分析了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，给出了超级电容补偿装置的参数设计方法。 2 研究背景 可近年来，随着电源及负载组成的变化，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。直流母线电压是衡量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三相不平衡时，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，严重影响直流微电网的电能质量，以及蓄电池和光伏电池的正常运行。因此，研究直流微电网电压脉动的抑制策略十分必要。 3 论文所解决的问题及意义 为抑制不平衡的交流负载引起的直流微电网电压脉动，改善直流电压质量，本文在深入研究交流不平衡负载接入对直流微电网电压的影响的基础上，提出了基于超级电容器的直流微电网电压脉动抑制方法，设计了基于滑模变结构控制的超级电容器电流控制策略，并给出了超级电容补偿装置的参数设计方法。 4 论文的方法及创新点 借鉴交流电网有源滤波器的概念，提出在直流微电网负载节点安装基于超级电容器的补偿装置，为脉动功率提供通路，抑制直流母线电压脉动，提高整个微电网的电能质量。补偿装置的结构如图1所示。 图1 基于超级电容器的直流电压脉动抑制系统结构 根据直流侧的功率平衡可知，当直流电压稳定时，超级电容器补偿功率Psc为零；当交流负载不平衡时，Pc中会出现脉动分量，若Psc补偿了Pc中的脉动分量，则直流电压就不会出现脉动；同理，若直流微电网侧功率Pr出现脉动时，Psc也可以补偿其脉动分量，抑制直流电压脉动。 为了补偿不平衡负载引起的脉动电流，超级电容器补偿电流的参考值也是脉动的，常规的PI控制无法实现无差跟踪。滑模控制鲁棒性强、动态响应快，在参数变化和负载扰动条件下也能实现高精度控制，因此本文设计了基于滑模控制的超级电容器的充/放电电流控制策略，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。 本文建立了包括风力发电机组和光伏发电在内的分布式发电单元，蓄电池储能单元，直流负荷和交流负荷单元，以及并网换流器单元的直流微电网RTLAB仿真模型，各节点之间考虑了线路的阻抗。当交流负载为两相阻性负载时，直流微电网各节点电压如图2所示，其中节点5为交流负荷节点。由图2可见，不平衡的交流负载引起直流电压出现2倍频脉动，越靠近负荷节点处，电压脉动幅度越大。在t=2s时投入补偿装置，直流电压脉动得到了有效抑制。 图2 两相阻性负载下加入超级电容器的直流电压波形 5 结论 1）不平衡负载下换流器直流侧将注入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直流电压脉动；采用的滑模控制器鲁棒性强，结构较简单，易于实现，具有一定工程应用价值。 3）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。 朱晓荣, 张雨濛, 荆树志. 一种不平衡负载下直流微电网电压脉动抑制方法[J]. 电工技术学报, 2018, 33(15): 3437-3449. Zhu Xiaorong, Zhang Yumeng, Jing Shuzhi. A Voltage Ripple Suppression Method of DC Microgrid under Unbalanced Load. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(15): 3437-3449. 作 者 简 介 华北电力大学 朱晓荣，女，华北电力大学副教授。长期从事新能源发电及并网技术、电力系统分析与控制领域的科研和教学工作。在IET、中国电机工程学报、电工技术学报等国内重要学术期刊和大型国际学术会议上发表论文30余篇。作者所在团队主要研究方向为电网友好新能源发电的协调控制技术、直流微电网控制策略以及新能源电力系统保护与控制等。 |
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