用于提高可再生能源發(fā)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的雙向DC_AC_DC變換器研究

1、第36卷第5期2009年9月Journalof華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)Vol136,No15NorthChinaElectricPowerUniversitySep1,2009用于提高可再生能源發(fā)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的雙向DC/AC/DC變換器研究王培波,張建成,鐘云(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,河北保定071003)摘要:由于可再生能源具有隨機(jī)性特點(diǎn),容器儲能系統(tǒng)的大功率、寬工作范圍雙向DC/AC/DC,建立了數(shù)學(xué)模型,通過控制能量在超級電容。通過仿真分析,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)電路的正確性、。關(guān)鍵詞:DC;電壓穩(wěn)定性;可再生能源;PWM控制:A文章編號:1007-2691(2009)05-0022-05Res

2、earchonthecontrolofvoltagestabilityinrenewableenergysystembasedonbi-directionalhighpowerDC/AC/DCconverterWANGPei-bo,ZHANGJian-cheng,ZHONGYun(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China)Abstract:Theutilizationofrenewablesourcesofenergy,whichmakesth

3、evoltageofrenewableenergygenerationsys2temunstable,israndom.Theapproachpresentedinthispapermakesfulluseofanoveldual-directionalhigh-pow2erDC/AC/DCconverterbasedonsupercapacitorstoragesystemtoimprovethevoltagestabilityofrenewableenergygenerationsystem.Firstly,theprincipleofmaincircuitoftheconverteris

4、analyzed.Meanwhilethemathematicalmodelisestablished.Accordingtothedifferentoperatingmode,thecontrolstrategyisputforward.Thetransferofenergybetweensupercapacitorarrayandtherenewableenergygenerationsystemcanbeaccomplishedinordertoen2hancethevoltagestability.Atlast,theprocessissimulatedbyMATLAB/Simulin

5、k.Itisverifiedthatthedual-di2rectionalDC/AC/DCconvertercircuitdesignedisofcorrectnessandthecontrolstrategyisofhighvalidityandopera2tionflexibility.Keywords:supercapacitor;DC/AC/DCconverter;voltagestability;renewablesourcesofenergy;PWMcontrol0引言隨著煤、石油、天然氣等化石燃料能源的日漸衰竭及使用這些能源對環(huán)境帶來污染的日漸嚴(yán)重,電力系統(tǒng)迫切需要尋求可再生的

6、綠色能源發(fā)電技術(shù)13。可再生能源發(fā)電常見的形式包括太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)收稿日期:2009201210.基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50677018)1電等。研究開發(fā)太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新型清潔可再生能源具有十分重要的社會(huì)價(jià)值和商業(yè)前景4?？稍偕茉词茏匀粭l件的影響具有隨機(jī)性很大的特點(diǎn),這將導(dǎo)致基于可再生能源的發(fā)電系統(tǒng)具有電壓不穩(wěn)定性。如何將變化的太陽能和風(fēng)能等能源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電能提供給用戶使用,是一項(xiàng)非常重要的課題。本文設(shè)計(jì)了一種基于超級電容器儲能系統(tǒng)的雙向DC/AC/DC變換電路,通過該電路控制能量在超級電容器與可再生能源發(fā)第5期王培波,等:用于提高可再生能

7、源發(fā)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的雙向DC/AC/DC變換器研究23電系統(tǒng)之間相互傳遞,使得可再生能源發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓更加穩(wěn)定,提高可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的供電電能質(zhì)量。主電路由超級電容器儲能單元及雙向DC/AC/DC變換電路兩部分組成。超級電容器是近年來出現(xiàn)的一種新型能源器件,容量可達(dá)到法拉級甚至數(shù)千法拉,功率密度高,循環(huán)壽命長、高低溫性能好、充放電速度快且控制相對簡單?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)容量的需要,采用超級電容器串、,方便地組成,系統(tǒng)運(yùn)行可靠5,6。圖DC/AC/DCDC/AC逆變器、高頻變DC整流器三部分。整流器和逆變器IGBT等組成,采用PWM控制方式,可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。通過控制超級電容器儲能單元運(yùn)行

8、在儲存能量、釋放能量和保持能量三種工作狀態(tài),維持可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的直流母線電壓穩(wěn)定在額定值附近。雙向DC/AC/DC變換器的運(yùn)行狀態(tài)由綜合控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié),綜合控制系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算系統(tǒng)、控制策略和觸發(fā)控制單元等。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),根據(jù)實(shí)雙器中1可再生能源發(fā)電系統(tǒng)及超級電容器儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)111可再生能源發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成圖1給出了可再生能源直流發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成方式,其中風(fēng)力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元及生物質(zhì)能等發(fā)電單元通過功率變換器輸出直流并互聯(lián),系統(tǒng)中配置公共直流母線。直流母線可以直接向直流負(fù)載供電或者通過DC/DC流負(fù)載供電,通過雙向DC/過DC/AC。由于太陽能、,使得輸出電壓質(zhì)量較差。為了維

9、持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,本文采用超級電容器作為儲能本體,并設(shè)計(jì)了其中的雙向DC/AC/DC變換電路,通過超級電容器陣列的儲能、釋能過程來控制直流母線電壓的穩(wěn)定。圖1可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成Fig11Structureofrenewableenergygenerationsystem當(dāng)直流電網(wǎng)母線電壓低于額定值時(shí),超級電容器釋放能量,通過雙向DC/AC/DC變流電路將能量傳輸給直流電網(wǎng),從而提高直流母線電壓。反之,當(dāng)直流母線電壓高于額定值時(shí),能量由直流電網(wǎng)端經(jīng)雙向DC/AC/DC變流電路向超級電容器端傳輸,此時(shí)對超級電容器進(jìn)行充電,控制可再生能源發(fā)電系統(tǒng)直流母線電壓下降到額定值附近,從而維持電網(wǎng)的穩(wěn)定

10、運(yùn)行7,8。112超級電容器儲能系統(tǒng)的構(gòu)成超級電容器儲能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示,2雙向DC/AC/DC變換器的數(shù)學(xué)模型與控制策略雙向DC/AC/DC變換器的結(jié)構(gòu)如圖3所示,圖2超級電容器儲能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig12Basicstructureofsupercapacitorenergystoragesystem由三相PWM逆變器、高頻變壓器和三相PWM整流器三部分組成。圖中ek,ik,L分別為交流側(cè)三相電壓、電流、整流器和變壓器的和濾波電24華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)2009年感;uk為PWM逆變器的輸出電壓;uk為PWM整流器的輸入電壓;變壓器原邊電壓、電流分別為ek,ik;副邊電壓、電流分別為ek,i

11、k;高頻變壓器變比為1n;超級電容器端電壓為uc;直流側(cè)輸出電壓ud。下面以單相電路為例,分析變換器中各部件的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)不給PWM整流器的開關(guān)器件以觸發(fā)脈沖時(shí),整流器件按照自然順序?qū)?PWM整流器工作于二極管整流狀態(tài),其直流側(cè)輸出電壓為(8)u2=2134Uk式中:Uk為PWM整流器輸入端uk的有效值。當(dāng)整流器工作在PWM可控整流狀態(tài)時(shí),整流器輸入端電壓uk與整流器PWM調(diào)制度mk、直流側(cè)輸出電壓ud:k2ud(9)圖3雙向DC/AC/DCFig13Structureofbi-converter=-m+dt2LkL(10)213雙向DC/AC/DC變換器的控制策略(1)當(dāng)日照強(qiáng)度、風(fēng)速較弱

12、時(shí),或者負(fù)荷加211三相k=a,b,c6ek=k=a,b,c6ik=0(1)PWM逆變器的狀態(tài)空間平均模型為L重時(shí),可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的直流母線電壓低于額定值,此時(shí)由超級電容器通過DC/AC/DC變換器向直流母線反饋能量,維持直流母線電壓穩(wěn)定在額定值附近。DC/AC/DC變換電路各部分的工作狀態(tài)為:PWM逆變器-升壓變壓器-PWM整流器。通過綜合控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)各部件的運(yùn)行狀態(tài),控制能量由超級電容器向直流母線端傳送。具體控制過程如下:開始時(shí),只調(diào)節(jié)PWM逆變器的調(diào)制度mk,PWM整流器工作在二極管整流狀態(tài)。隨著超級=uc(dk-dt3k=a,b,c6dk)-(2)ek,k=(a,b,c)式中:dk

13、為PWM逆變器第k相半橋上橋臂開關(guān)的占空比,三相占空比的平均值2。k=a,b,c6dk=1/在變換器的PWM調(diào)制中,取單相調(diào)制波為/3-)(3)mk=M0cos(wt-2式中:為ek與uk之間的夾角。式為dk=+22(4)電容器能量的不斷釋放,其端電壓mc不斷降低,為了維持ud穩(wěn)定,則需進(jìn)一步增大mk,直到mk增大到1。若仍不能使得直流母線電壓恢復(fù)到額定值,則固定PWM逆變器的調(diào)制度mk=1。進(jìn)而控制三相PWM整流器開始工作,通過調(diào)節(jié)整流器的調(diào)制度mk,控制能量繼續(xù)向直流母線端傳送,直到直流母線電壓穩(wěn)定在額定值附近。下面以三相PWM整流器控制策略為例,說明對DC/AC/DC變換器中PWM逆變器

14、、整流器的控制過程。本文采用的是相位幅值控制與電壓閉環(huán)控制相結(jié)合的控制方式。圖4為三相PWM整流器交流側(cè)單相矢量圖。由圖4可知,各個(gè)變量之間的關(guān)系為Uk=UL+Ek2三相逆變器輸出的PWM基波電壓幅值uk與直流側(cè)電壓u1、開關(guān)管的調(diào)制度mk之間的關(guān)系式為uk=2(5)把式(4)、(5)代入式(2)可得,三相PWM逆變器的低頻數(shù)學(xué)模型為=mk-dt2LL(6)2(11)(12)(13)(14)UL=LIk理想情況下,高頻變壓器的數(shù)學(xué)模型為ek=nekik=ik/n=arctan(7)mk=EkUd212三相PWM整流器的數(shù)學(xué)模型第5期王培波,等:用于提高可再生能源發(fā)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的雙向DC/A

15、C/DC變換器研究25圖4三相PWM變流器的單相矢量圖Fig14Singlevectordiagramofthree-phaseconverter式中:Uk為整流器輸入電壓的基波成分;矢量Ek為輸入相電壓;UL為在電感L兩端電壓的有效值;為Uk滯后輸入電壓Ek的角度;mk為PWM調(diào)制度。負(fù)荷時(shí),發(fā)電單元通過直流母線向負(fù)載供電,在滿足負(fù)載用電需求的前提下,要維直流母線電壓的穩(wěn)定,多余的電能必須通過雙向DC/AC/DC變換器由直流母線端向超級電容器單元端傳送。DC/AC/DC變換電路各部分的工作狀態(tài)為:PWM逆變器-降壓變壓器-PWM整流器,此時(shí)超級電容器處于充電狀態(tài),系統(tǒng)在該運(yùn)行狀態(tài)3,進(jìn)行如下

16、仿真研究。建立圖3,系統(tǒng)參數(shù)如下:本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選用單體容量為0156F/400V的超級電容器,并聯(lián)組成超級電容器儲能單元。超級電容器儲能單元的總電容量C=518F,可再生能源發(fā)電系統(tǒng)直流母線電壓額定值為300V,電感L=3mH,高頻變壓器頻率100Hz,原、副邊電壓比為12,PWM開關(guān)頻率為10000Hz。(1)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)直流母線電壓低于額定值300V時(shí),控制超級電容器單元向直流母線反饋能量。圖6為該運(yùn)行狀態(tài)下的系統(tǒng)仿真波形:圖6(a)為超級電容器端電壓變化的曲線,圖6(b)為補(bǔ)償前的直流母線電壓的電壓波形,圖6(c)為補(bǔ)償后的直流母線電壓波形。(2)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)直流母線電壓

17、高于額定值300V時(shí),控制能量由直流母線向超級電容器單元傳送,超級電容器進(jìn)行儲能。圖7所示為該運(yùn)行狀態(tài)下的系統(tǒng)仿真波形:圖7(a)為超級電容器的端電壓變化曲線,圖7(b)為對超級電容器進(jìn)行充電前的直流母線電壓波形,圖7(c)為對超級電容器進(jìn)行充電后的直流母線電壓波形。由上述仿真結(jié)果可知,可再生能源發(fā)電系統(tǒng)直流母線電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí),超級電容器儲能單元通過雙向DC/AC/DC變換器系統(tǒng)進(jìn)行儲能、釋能,使得直流母線電壓穩(wěn)定在額定值附近,有效地提高了可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。由式(11)到式(14),UL的大小,UkIk的幅值、狀態(tài)進(jìn)行控制,:圖5Fig15Controldiagramoftheth

18、ree-phasere2versiblePWMconverter圖中:ud為三相PWM整流器輸出的直流電3壓;d,以直流電壓偏差為輸入量,。3u,以此誤差信號作為PI調(diào)節(jié)器的輸入,PI調(diào)節(jié)器輸出直流電流指令信號I,3I=kp(ud-ud)3+ki(ud-ud)dt(15)式中:kp,ki分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)。I,間接控制交流側(cè)電流I當(dāng)直流電壓ud發(fā)生波動(dòng)時(shí),會(huì)引起交流側(cè)k。電流的變化,交流側(cè)電感兩端電壓UL會(huì)隨之而發(fā)生改變,UL發(fā)生改變將導(dǎo)致uk的幅值和相位發(fā)生變化,(0時(shí)),uk將趨于穩(wěn)定,直流電壓ud也將趨于穩(wěn)定,系統(tǒng)調(diào)節(jié)成功。當(dāng)直流電壓ud發(fā)生波動(dòng),引起PI調(diào)節(jié)器出現(xiàn)負(fù)偏差時(shí),其輸出

19、I變?yōu)樨?fù)值,使得交流輸入電流相位和電壓反相,實(shí)現(xiàn)逆變器運(yùn)行。(2)當(dāng)日照強(qiáng)度較大、風(fēng)速較高時(shí),或者輕4結(jié)論本文以超級電容器作為儲能本體,設(shè)計(jì)了雙26華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)2009年參考文獻(xiàn):1DobruckyB,DrozdyS,FrivaldskyM,etal.Interac2tionofrenewableenergysourceandpowersupplynet2workintransientstateJ.CleanElectricalPower,2007,3:563-566.2劉志剛,汪至中,范瑜.新型可再生能源發(fā)電饋網(wǎng)系統(tǒng)研究J.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2003,18(4):84-89.3王建,.圖6直

20、流母線電壓低于額定值時(shí)的系統(tǒng)仿真波形Fig16SimulationwaveformofthesystemwhenthevoltageofDCbusbelowthenominalvalue.,2005(24):4楊仲慶,曹秉剛.分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)研究J.電力電子技術(shù),2005,(4):1-4.5GlavinME,HurleyWG.Ultracapacitor/batteryhy2bridforsolarenergystorageC.UniversitiesPowerEngineeringConference,2007.6ZhangJiancheng.ResearchonsupercapacitorstoragesystemforpowernetworkC.InternationalConfer2enceonElectroni