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基于飞轮储能的新型动态电压恢复器的研究

作者:lol菠菜 发布时间:2020-09-06 14:46 点击:

  提出一种基于飞轮储能的新型动态电压恢复器(DVR),其可对深度电压暂降进行补偿;大功率、高储能量的飞轮储能单元成本高昂,为提高飞轮的总储能量,采用飞轮储能阵列,各台飞轮储能单元并联连接于同一直流母线。详细分析该系统的工作原理和各部分的控制策略;对飞轮储能阵列运行于放电状态的控制策略进行了研究,提出了一种新型的放电控制策略。最后利用 Matlab/Simulink对系统进行仿真,验证了所提拓扑结构及控制策略的可行性。

  随着工业规模的不断扩大,接入电力系统的冲击性负荷急剧增加,电能质量问题变得越来越严重,从而造成产品质量下降甚至生产过程中断。根据各国学者和电力部门统计,在电力系统的各种电能质量问题中,电压暂降的危害最大。目前,最有效的补偿装置是动态电压恢复器(DVR)。

  传统的DVR在补偿电压暂降时,其所需能量由并联于所补偿电网的整流器提供,缺点是不能补偿深度电压暂降。因此有学者提出由储能装置来提供能量。常见的储能装置有:蓄电池、超级电容、超导储能装置以及飞轮储能装置。与其他几种储能方式相比,飞轮储能具有高储能量、长寿命、高效率、无污染等特性。因此在飞轮电池以及工业用UPS电源等领域得到广泛应用。飞轮储能是一高速旋转的飞轮质体作为机械能量储存的介质,利用电机和能量转换控制系统来控制能量的输入(储存能)和输出(释放能)。目前,产品化的飞轮储能单元最高指标通常为储能量2~5 kWh,功率250 kW,若要求更高功率、更大储能量则需采用飞轮储能单元并联运行来实现。文献对多台飞轮并联运行的控制策略进行了研究,提出了一种以飞轮可释放能量为比例分配各台飞轮储能装置输出功率的控制策略,此控制策略会导致各台并联飞轮的充放电次数不均匀。

  针对以上不足,本文提出了一种基于飞轮储能的新型动态电压恢复器;详细分析了该系统的工作原理和各部分的控制策略;针对飞轮并联运行提出了一种新的放电控制策略;最后对系统进行了仿线 电路拓扑

  DVR变换器、滤波器、旁路开关和串联变压器一起组成串联型电压恢复器,变换器A和电感L构成PWM整流器,飞轮储能阵列由多台飞轮储能单元(FESU) 并联组成,飞轮储能单元由飞轮变换器、永磁无刷直流电机和飞轮3部分组成。电网电压正常时,飞轮处于充电状态:在电网电压发生暂降时,DVR变换器经串联变压器向电网注入补偿电压,从而保证负载电压是额定电压。浅度电压暂降时能量由电网提供;深度电压暂降时能量由飞轮提供。

  驱动电机采用三相永磁无刷直流电机,因其具有运行可靠、免维护、高效率以及调速性能好的特点,其主要参数如表l所示。

  飞轮的充电控制采用双环控制结构,外环是转速环,内环是电流环。其中,速度调节器采用复合控制。在启动阶段,希望转速快速上升,而对控制精度要求相对较低,采用恒转矩限流启动;在调速阶段,采用恒功率充电模式,随着转速的升高,输入电流反比减小,可以减小不平衡磁拉力对转子稳定性的影响,恒功率充电以系统能承受的最大功率P*为加速度功率;当速度达到稳态时,希望有较高的稳态精度,采用PI控制。

  各台并联飞轮属于同一规格,电气参数基本一致;前后两次电压暂降间隔足以让所有飞轮转速都上升到额定转速,故功率和储能量相等;为了减少系统损耗,每次放电时投入运行的飞轮个数应尽可能少。飞轮放电控制的关键点是如何计算放电的飞轮台数以及每台飞轮的输出电流指令值。

  1)按照充放电次数由少到多依次给各台飞轮排序,如充放电次数相同,则转速高者序列号小。

  式中,Pmaxi为i台飞轮的最大输出功率;P*是需要输出的功率指令值。

  Pmax1,输出功率指令值超出任意一台飞轮储能单元的最大输出功率。因此,需多台飞轮进入放电状态,FESU1至FESUm-1的输出电流指令值为:

  随着能量的释放,飞轮转速下降,故储能量和输出功率随之减小,当原有投入放电的飞轮不能满足负载需求时,投入放电的飞轮台数以及各台飞轮的输出电流指令值需重新计算。

  将之前进入放电状态的飞轮的序列号都增加1,然后返回1)重新计算。当电网电压恢复正常时,投入放电状态的飞轮的充放电次数都增加1。由上述分析可得飞轮放电的控制框图如图2所示。

  变换器A的控制目的是控制直流母线电压恒定的同时,实现交流侧输入电流的正弦化且与电网电压同相位。

  式中,L为与电网相连的滤波电感的电感值,将功率开关管损耗等效电阻同滤波电感等效电阻合并为R,usa、usb、usc为电网三相电压,ia、ib、ic为变换器交流侧三相电流,ea、eb、ec为变换器输出的三相电压。

  通过坐标变换将该数学模型转换至同步旋转坐标系中,变换器在同步旋转坐标系下的数学模型为:

  式中,ud、uq为三相电网电压在同步旋转坐标系下的投影;id、iq为变换器交流侧三相电流在同步旋转坐标系下的投影。

  选取同步旋转坐标系的d轴与电网a相电压矢量重合,则uq=O,式(3)可进一步简化为:

  这说明当电网电压稳定时,控制了变换器d轴电流即控制了输入的有功功率;控制了变换器q轴电流即控制了输入的无功功率。若要实现单位功率因数控制,即输入的无功功率为零,只要令变换器q轴电流设定值

  由式(4)可知,该数学模型存在交叉耦合项,因而给控制器设计造成一定难度。为此,采用前馈解耦控制策略,当电流调节器采用PI控制器时,则uid和 uiq的控制方程如下:

  式(6)实现了电流内环的解耦控制。由上述分析可得变换器A的控制框图如图3所示。

  图4是飞轮充电时变换器A交流侧的电压和电流波形,由图4中可以看出电流与电压同相,实现了电流对电压功率因数控制。图5是飞轮充电过程中,电机A相电流波形。相电流波形为方波,在换相过程中,相电流有一定的波动。

  在浅度电压暂降补偿状态时,能量由变换器A提供。图6给出了电压暂降时的动态补偿波形,由图6可以看出系统补偿动态响应速度快,同时具有良好的稳定性和跟踪性能。

  为了克服传统动态电压恢复器和飞轮储能单元的缺点,提出了一种基于飞轮储能阵列的新型DVR,其可对深度电压暂降进行补偿;对飞轮储能阵列运行于放电状态的控制策略进行了研究,提出了一种新型的放电控制策略。利用Matlab/Simulink对所提出系统进行了仿真分析,仿真结果表明所提出拓扑结构及控制策略的正确性和有效性。

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  所示,其主要由DVR变换器、滤波器、旁路开关、串联变压器、变换器A、电感L和飞轮储能阵列(FESA)组成。 DVR变换器、滤波器、旁路开关和串联变压器一起组成串联型电压恢复器,变换器A和电感L构成PWM整流器,飞轮储能阵列由多台飞轮储能单元(FESU)并联组成,飞轮储能单元由飞轮变换器、永磁无刷直流电机和飞轮3部分组成。电网电压正常时,飞轮处于充电状态:在电网电压发生暂降时,DVR变换器经串联变压器向电网注入补偿电压,从而保证负载电压是额定电压。浅度电压暂降时能量由电网提供;深度电压暂降时能量由飞轮提供。 驱动电机采用三相永磁无刷直流电机,因其具有运行可靠、免维护、高效率以及调速性能好的特点,其主要参数如表l所示

  随着社会经济和科学技术的迅猛发展,人们对电源系统的供电质量和可靠性提出了越来越高的要求。采用模块化的逆变器并联运行而构成的电源系统,由于具有高可靠性、大容量的特点,不仅有良好的可维护性和通用性,还可以灵活地组建各种功率容量的系统;而且模块化便于生产的规模化和降低成本,因此其应用前景也越来越广泛。 在多个逆变器的并联运行控制中,不仅需要对每个逆变器的运行参数(如输入电压、中间变量、输出电压和电流等)进行大量的数据采集和实时处理,还要在各逆变器之间进行数据通讯和相应的处理,因而对控制器提出了比较高的性能要求

  电力电子变压器PET(Power-Electronic Transformer)作为一种新型的电力变压器,得到了国内外研究人员越来越多的关注。它是一种含有电力电子变换器且通过高频变压器实现磁耦合的变电装置。PET在完成常规的变压、隔离和传递能量的同时,还可起到电能质量控制器的作用,是一种多功能的新型变压器。将其用于配电系统既可实现降压又可保证电能质量[1]。两台或数台PET并联运行是变压器的一种重要运行方式,具有重要的研究价值。但当前国内外对于PET的研究主要集中于其拓扑结构和控制策略上,对其在电力系统中的应用及其运行特性的研究相对薄弱。文献[2]采用主从式控制方案解决并联PET输出交流侧的并联均流问题;文献[3]对并联PET负载

  控制器和外部PI控制器用来调节电压。负载控制器则采用了型号为TMS320LF2407A的数字处理器。图7a为并联系统的输出电压波形,图7b为两个逆变电源的输出电流波形。可见,即使负载是非线性负载,系统的运行效果依旧良好。 6 结论    根据光伏电源并联运行的研究,提出了一种基于改进下垂法的并联运行控制策略。引入了虚拟阻抗的概念,设计了一种新型控制器,并在试验平台上进行了研究。仿真和试验结果表明,该控制策略能迅速抑制系统启动循环电流,获得了更好的动态响应特性,是一种较为理想的控制策略。

  1引言 单个电源组件的容量是有限的,为了增加电源的容量,提高供电可靠性,常采用电源并联技术。例如50台电源并联供电,即使其中有几台出现故障,由于供电系统具有一定的冗余度,不会影响整个系统的正常工作。对于实现大容量的逆变电源,同样也可以采用并联技术。由于逆变电源通常采用新型全控功率开关器件构成单元模块,受功率开关器件容量的限制,单个逆变电源模块的容量是十分有限的,通过多个模块并联进行扩容,不仅可以充分利用新型全控功率开关器件的优势,减少系统的体积,降低噪声,还可以提高系统的动态响应速度和逆变电源变换器的通用性。 然而,交流电源间的并联运行远比直流电源并联运行复杂,它不但要求两电源输出电压幅值相等,而且要求其频率与相位严格一致。为了使

  1引言信息技术的高速发展和广泛应用,对其供电电源的质量和可靠性要求越来越高,多模块并联实现高可靠性大容量电源被供认为今电力电子技术发展的重要方向之一。以通信二次电源的构成方式为例,从最初的单模块供电发展到1+1冗余,现在N+1方式已被广泛认可。同主电路和控制电路的研究发展过程一样,逆变器并联运行技术的研究也是在借鉴DC/DC并联技术的基础上不断深入,逆变器由于是正弦输出,其并联和热插拔远比直流电源复杂得多[1],有相序(三相时)、频率、相位、和波形等5个,其中任意一个与电网不一致,就不能使逆变器投入电网;由于交流输出,不能象DC/DC变换器那样简单地用二极管来隔离故障单元。再进一步,要实现UPS并联,则在实现逆变器并联

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