基于模塊化微電網并聯系統

錢 途, 張海燕, 石嘉楠, 焦傳揚, 姜怡蕓, 施之韻

(上海電機學院 電氣學院, 上海201306)

在百年的工業發展過程中,經濟增長十分顯著,但同時也引發了全球范圍內的環境污染、能源危機等問題。為了解決這類問題,可再生能源的開發利用成了重要的一環[1-4],而風和光這兩種常見的、分布廣泛可再生清潔能源受到了重視。鑒于這類能源使用環境的積極影響以及低廉的成本,通過可再生能源進行發電的系統逐漸受到認可,其相關研究也逐漸深入完善。

在微電網這個系統中,不同的組成部分具有不同的輸出特性及經濟效益。光與風的可再生能源發電系統,盡管是潛力最大的、能源覆蓋最廣的,但受天氣、季節、地理環境影響較大,投資建立成本也很高,且輸出并不穩定。微電網的優化改進需要在系統能夠承擔負荷以及目標電能質量的前提之下,對電能來源、儲能方式進行不同的分配優化,從而保證微電網的成本、質量、穩定性能夠達到最優的一個平衡點[5-8]。所以在掌握各部分原理及特性的基礎上,如何進行微電網的運行控制與各部分的分配優化成為了微電網研究的一個關鍵。

微電網控制系統目前主要包括有并網、離網的運行方式以及兩種運行方式相結合的平滑轉換運行方式。我國目前采用的多逆變器并聯運行普遍采用功率下垂控制方法,雖然逆變器之間不需要通信線聯接,但存在均流效果不理想、動態均流效果差的問題。當并聯運行非隔離型逆變器的時候,整個電網系統將由此產生一個高階電路網絡,其復雜性或使整個發電系統無法正常運行,甚至使系統產生一個諧振狀態[9-15],影響系統運行。

本文提出一種方案,準備運用主從控制式并聯技術來完成模塊化微電網的并聯,將每個模塊中的逆變器并聯連接。但逆變器并聯時,將存在諸多問題,如各逆變單元間的環流問題以及如何準確地判斷并及時處理異常情況,是本文所考慮的。該裝置能在逆變器并聯的情況下,將各個逆變器的輸出電流信號進行采集,系統將根據采集得到的數據作出相應的變化,使得系統中各逆變器實現均流輸出,從而解決環流的問題。

1 微電網系統研究與設計

1.1 微電網研究方向

本文研究所提出的是一種逆變器之間能夠運用通信解決均流、環流等問題的模塊化的微電網并聯系統。主要研究方案如下:

(1) 分析研究微電網單組模塊電氣的運作,并設計電路圖,進行軟硬件調試。

(2) 研究使用主從控制式并聯技術實現基于模塊化的微電網并聯系統,并進行軟硬件的調試。

(3) 建立模塊化微電網模擬系統并聯的實驗平臺進行實驗驗證,對電路進行優化,并嘗試對其效率進行提高等。

1.2 系統搭建

文獻[16]中提出一種采用基于一致性算法的分布式控制方式,從而實現微電網的協調性控制,但文中較少考慮如何具體運用構建網絡的方式,進而對微電網進行控制。

本文考慮運用數字信號處理(Digital Signal Processing,DSP)控制器構建通信網絡,將多臺單個逆變器的輸出并聯,為交流供電系統提供一種供電裝置。該裝置能夠在逆變器并聯的情況下,將各個逆變器的輸出電流信號進行采集,系統將根據采集得到的數據作出相應變化,使系統中的各逆變器實現均流輸出,從而解決環流問題。所設計的模塊化的微電網逆變器并聯示意圖如圖1所示。

圖1 模塊化的逆變器并聯

該微電網多逆變器并聯系統,通過動態調節所有單相逆變器的環流信號,使所有單相逆變器實現均流效果。該系統中一共包括N個單相逆變器、N個并聯的LCL模塊以及程序模塊;N是大于或等于2的正整數;一個單相逆變器與一個并聯LCL模塊電連接,N個并聯LCL模塊互相電連接;N個微處理器之間通信使產生的交流電壓波形同步;得到一個模塊化的微電網并聯系統。

1.3 電流均流及電壓同步的實現算法設計

在搭建的適用于微電網多逆變器并聯系統中,可通過動態調節所有單相逆變器的環流信號,使所有單相逆變器實現均流效果。在該系統中,共包括N個單相的逆變器、N個LCL并聯的模塊以及寫入程序模塊的微處理器;其中,N是大于或等于2的正整數。單個微電網中的結構是一個單相逆變器與一個并聯LCL模塊電連接,并聯LCL模塊的作用是收集對應的逆變器參數信息,并根據所收集的參數信息進行數據處理,之后傳送給其他單相逆變器微處理器進行調節。參數信息中包括采集得到的相位信息、電流信息和狀態信息;N個逆變器的N個并聯LCL模塊互相將輸出電壓電流連接;而N個單相逆變器的微處理器互相通信連接。對于N個逆變器均流的計算方法將按照如下步驟執行:

步驟1通過所在電路的LCL模塊收集對應的單相逆變器的狀態信息;

步驟2在全部參數信息中求得電流信號平均值,不分主從逆變器。所有單相逆變的電流信號跟隨電流信號平均值。

步驟3對所在電路的單相逆變器的輸出電流信號進行采樣,得到所需要的電路電流信息,電流信息應包括輸出電流和平均電流。

平均電流的計算方法為

式中:ik(k=1,2,…,N)分別為單個逆變器采樣得到的電流大小。在有了平均電流的條件下,電流信號誤差為

由平均電流數值減去采樣電流數值計算得到誤差大小。在單相逆變器由DSP作為微控制器條件下,運用PI調節的方式,根據電流信息計算得到的誤差大小,使微處理器適當地調整相應幅值,從而改變PWM脈寬

式中:ΔI為控制電流偏差調節量;kp和ki為PI調節參數;Ik(k=1,2,…,N)為單個電路電流最大值;Iave為電路電流最大值時的電流平均值。

同理,若是計算頻率調節量,并進行PI調節,則

式中:fave為逆變器頻率工作平均值;Δf為控制頻率的偏差調節量;kfp和kfi為頻率的PI調節參數;fk(k=1,2,…,N)為單個逆變器頻率值。

2 電路與程序設計

2.1 電路設計

根據微電網逆變器并聯系統運行圖,從而設計得到一個由2組單相逆變器并聯的電路(見圖2)。圖中所用的單相全橋逆變電路可看作兩個單相半橋逆變電路的組合,由4個絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)組成電路橋臂。電路采用正弦波與鋸齒波得到等幅不等寬的脈沖波,從而控制IGBT的開關,得到正弦波形。LCR模塊負責采集電壓電流信息及輸出。電路通過通信得到平均電流大小,并相應調整逆變器的工作頻率,從而滿足系統均流的目的。由于無法將通信進行仿真,故在已知平均電流的情況下進行系統仿真。面對處在同一環境中的分布式電源,其電壓大小相近,可視為相同,而輸出負載有細微差別的情況下,通過控制逆變器工作頻率,從而得到平均的電流輸出,保證系統工作的穩定性。

2.2 程序設計

2.2.1 處理器程序步驟 該微電網系統由DSP進行程序控制,總體執行步驟如下:

步驟1通過并聯LCR模塊收集對應的單相逆變器的參數信息,經過數據處理后傳送給微處理芯片;

步驟2微處理芯片收集每個單相逆變器的電流信息,結合并聯LCR模塊的輸出信息將逆變器的電流信號求平均值,并根據自身所在單相逆變器的電流信號計算獲得電流信號誤差;

步驟3根據微處理器計算獲得的電流信號誤差,改變PWM脈寬信號,從而減小電流信號誤差,使得電網中的單相逆變器的環流等于0,由此實現對單相逆變器的動態調節。

2.2.2 單組逆變器程序設計 控制電路使用一塊32位微控制器(型號為TMS320F28035)系統板結合兩個驅動芯片(型號為IRS2003S)控制逆變器工作,TMS320F28035系統板輸出原始正弦脈寬調制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)波經由驅動芯片IRS2003S完成對開關管的控制。系統主程序設計如圖3所示,系統板對電流信號采樣,并通過控制器局域網絡(Controller Area Net work,CAN)總線通信,得到并聯系統中的平均電流信號,進行誤差計算,以及PI控制,計算占空比,調整脈寬大小,使得系統所得到的波形盡可能相近、穩定。

圖2 由2組單相逆變器并聯組成的電路

圖3 主程序流程圖

2.2.3 通信程序設計 運用DSP的CAN通信部分進行DSP之間通信。CAN是一種控制器局域網,是一種多主方式的串行通信總線,也是國際上應用最廣的現場總線之一。CAN具有較高的位速率,當運用CAN的系統通信的信號傳輸距離達10 k m時,CAN依舊可以提供高達50 Kb/s的數據傳輸速率,且還能保證其高抗電磁干擾能力,并能檢測出任何總線錯誤,運用在本系統中非常合適。

在CAN協議控制器初始化后,將進行數據的發送與接收配置,接收采用中斷方式,在主程序中可進行配置。數據接收時,所接收到的信息的標識符須與相應的接受郵箱的標識符相同,在這里,數據的接收與發送請求均采用標志位查詢的方式。

只有當所有的CAN中的接點同時激活總線的時候,CAN才能進行正常的通信。CAN總線須通過兩條信號線產生的差分電壓進行傳送,“CAN_H”以及“CAN_L”則是系統通信中所需用到的兩條差分信號線。靜態時均為2.5 V,此時邏輯狀態為1,被稱為“隱性”;當CAN_H的電壓比CAN_L的電壓高的時候,則表示邏輯狀態為0,被稱為“顯性”。在CAN組成的位場中,應答場需由發送站根據接收站發送的位的性質來決定應答,接收站發送“顯性”的位表示接收到信息。所以除了發送數據,還應同時激活總線,使各節點都能向對應的發送器進行應答,并隨時接收或發送數據。

3 實驗驗證

3.1 仿真結果

通過上述所設計的電路圖進行Simulink仿真,如圖4所示。在已知平均電流的情況下,通過改變二者逆變器工作頻率,從而使得輸出的電流大小幾乎相同。圖4(a)為電路1中負載兩端的電流波形,電流最大值在15 A,電路2中負載兩端的電流最大值在14.985 A,在已知平均電流的理想情況下,系統均流的效率達到了99.9%。

圖4 電路仿真波形圖

3.2 均流實現的實驗驗證

系統的設計方案是:通過并聯LCL模塊收集對應的單相逆變器的參數信息,經過數據處理后傳送給DSP。DSP收集每個單相逆變器的電流信息,結合并聯LCL模塊的輸出信息將逆變器的電流信號求平均值,并根據自身所在單相逆變器的電流信號得到電流信號誤差。微處理器再根據計算得到的電流信號誤差,適當改變所在系統的PWM脈寬信號,使電流信號逐漸相同,減小電流信號誤差,最終達到單相逆變器的環流為0,并實現動態調節。通過測量出兩個逆變器的輸出波形接近一致,證明DSP間通信成功,且消除環流成功。

為了驗證上述目標,設計并搭建了兩臺基于DSP微處理器的單向逆變器,組成了簡易的模塊化的逆變器并聯系統。微處理器為DSP芯片TMS320F28035,如圖5所示為示波器記錄的實驗波形,其中,上波形為系統電路1中負載兩端的電流波形,下波形為系統電路2中負載兩端的電流波形。表1給出了系統實驗結果。

圖5 示波器記錄波形

表1 系統實驗結果

通過實驗記錄波形及結果可知,兩臺逆變器通過通信的方式,使得到的波形幾乎相同,并通過實驗結果數據,可以看到系統電路中各電流通過電流信號的交換,計算得到平均電流,從而使得系統輸出電流的相似率達到97%,成功提高了逆變器并聯運行的性能及穩定性,達成了實驗目標。

4 結 論

本文通過對微電網逆變器進行并聯,并對均流問題的解決進行設想與驗證,由此得到了一種新型的基于模塊化的微電網并聯系統,相關結論及成果如下:

(1) 系統中每組逆變器都是獨立運行的,無論電網中哪個單相逆變器出現故障,也不會影響電網中其他逆變器的運行。這樣可以使系統依然能夠收集電能,對于清潔能源的采集具有效率最大化,損失最小化的特點。

(2) 通過并聯LCL模塊采集對應的單相逆變器的參數信息,主要是所在電路中電流信號的大小,實現整個微電網系統的均流,從而使得系統的效率盡可能地大,且不會損壞系統。

(3) 通過電流采樣,得到系統的平均電流,并根據電流信號誤差,改變PWM脈寬,動態調整電流信號,其調整速度快,控制速度簡單,并易于發現問題,且不影響其他設備的運行。