固態變壓器改進并聯運行控制策略研究

姚福明，嚴晶鋮，白 維，王翰文，曾成碧

(1.國家能源集團國能大渡河新能源投資有限公司, 成都 610041；2.四川大學 電氣工程學院， 成都 610065；3.四川革什扎水電開發有限責任公司, 四川 甘孜 626300)

0 引言

固態變壓器(solid state transformer，SST)是通過電力電子技術及高頻變壓器實現能量傳遞和電力變換的新型設備。SST不僅具有傳統變壓器的基本功能，還可實現交流側無功功率補償、高次諧波抑制、端口雙向潮流控制等功能[1]，在可再生能源接入發電系統應用方面具有廣闊前景。

SST并聯運行可以提高輸出電能的經濟性和可靠性。固態變壓器并聯運行的控制策略主要有主從控制和下垂控制[2]。在解決環流過大和功率分配不均等問題時，下垂控制具有較大優勢。但當系統處于孤島運行模式時，因為各個輸電線路可能存在不同值的線路阻抗，傳統的下垂控制方法會導致功率不能均分，進而在各臺變壓器之間出現較大環流，破壞系統的運行穩定性。因此，在對SST的控制策略進行優化時，不僅要考慮端口所在系統的功率平衡需求，還要考慮SST自身的線路阻抗是否匹配，在保證系統電壓、頻率穩定的前提下實現協調優化運行。

蘭征等[3]重點研究了SST并聯運行時的下垂控制原理，提出了一種自適應的控制策略，在功率均分和環流抑制方面具有較好效果，并獲得了較好的動態性能。付國宏等[4]提出了一種關于有功與無功的二次函數，并成功將其應用于下垂控制環節。該方法首先計算各SST的額定容量占總容量的比例，然后按比例進行功率分配，自適應地調節下垂系數，使得SST按比例分配負荷，減小線路阻抗不匹配造成的環流與功率誤差。但該方法在投切負荷時波動大，存在較大隱患。涂春鳴等[5]研究了基于SST的微網相間潮流控制方法，對下垂控制環節進行參數修正，能有效調整微網內的功率交換，實時減小電壓和頻率偏差。但該方法結構復雜，硬件實現困難，且費用較高。張國榮等[6]和石賽美等[7]分析了環流產生原因，在電壓和電流雙閉環控制中加入虛擬阻抗參數來抑制環流，減小無功均分誤差，但該方法忽略了虛擬阻抗過大會造成較大電壓降的問題，且沒有增加電壓補償，降低了系統的運行穩定性。

SST并聯運行控制存在設計結構復雜、改善效果不明顯或耗費大等問題，為此，提出一種自適應虛擬阻抗的控制策略，將固態變壓器在并聯運行時低壓輸出級輸出的初始功率與標準功率進行比較判斷，自適應地調整各并聯固態變壓器的虛擬阻抗值，以達到有功與無功的快速有效均分、降低SST間環流的目的。同時，為使系統具有較好的穩定性和動態性，在下垂控制中增加頻率和電壓自適應補償2個環節。通過仿真和實物平臺驗證改進措施的有效性。

1 SST并聯運行系統分析

SST類型可分為兩類:AC/AC型和AC/DC/AC型SST。AC/AC型結構相對簡單，耗材較低，具有高(中)頻變壓器一、二次側間同步調制、解調等功能，但存在可控性差、一次側功率因數難以整定等缺點，對新能源發電輸出的電能質量提升較小。而AC/DC/AC型含有直流環節，電網輸入的AC電壓經過SST的一次側整流、逆變環節輸出為高頻方波，通過SST磁耦合至二次側，再經二次側AC/DC/AC輸出AC電壓。相對AC/AC型SST，AC/DC/AC型SST構成原件較多，不僅具有AC/AC型SST的功能，還能高效調節兩側電壓、電流和輸出功率[8-9]。在孤島運行時，AC/DC/AC固態變壓器的應用較為廣泛，其結構如圖1所示。2臺SST并聯運行圖見圖2。

圖1 AC/DC/AC固態變壓器結構

圖2 2臺SST并聯運行圖

圖3 等效電路

在簡單系統中，可通過對控制參數及LC濾波器的合理設計使得內電勢至負載處的等效線路呈感性，即若Xi>>Ri且相角差很小，則可將Ri看作是0[10]。因此得出簡化的功率輸出表達式為：

(1)

(2)

其中：i=1、2，為并聯之路的任意支路。

由式(1)可以看出，各SST輸出的有功功率Pi取決于其輸出電壓與負載電壓的相角差。由于角速度是相角差值與時間微分所得，且角速度等于頻率乘以2π，故輸出電壓與負載電壓不變的情況下，可通過有功功率P控制頻率。在式(2)中，無功功率Qi由輸出電壓與負載電壓決定。因此，可再生發電系統呈感性時，SST采用的P-f、Q-V下垂控制方程為[11]：

fi=fN-mi(Pi-Pn)

(3)

Ui=UN-ni(Qi-Qn)

(4)

其中：mi、ni為下垂系數；UN、fN分別為空載時各SST輸出電壓值和頻率值；Pn，Qn分別為有功和無功功率的額定值。

2 SST的功率分配與環流

2.1 功率分配

將式(4)代入式(2)中得到SST無功輸出的另一個表達式：

(5)

由式(5)可得SST無功輸出與負載電壓、空載SST輸出電壓、線路阻抗的關系，進而得到各SST的無功輸出偏差為：

(6)

當下垂系數不變時可化簡為:

(7)

由式(7)可知，各SST之間的無功偏差在負載電壓、空載SST輸出電壓和下垂系數不變的情況下由等效輸出阻抗決定。使用傳統控制策略時，會因為等效輸出阻抗的不匹配而直接導致SST輸出的無功功率偏差過大，此時會對系統正常運行造成嚴重影響[12]。

2.2 環流的產生

在系統為感性的情況下，由圖3可得流過線路阻抗的電流為：

(8)

(9)

由式(8)和(9)可知，當等效阻抗和SST輸出端電壓幅值與相位不同時，其相應產生的線路電流的相位與幅值不同，會在并聯系統中產生環流。環流表達式為：

(10)

當2臺SST并聯運行，由于各并聯線路長短、使用材料不同等原因導致線路阻抗不匹配時，則必然會導致SST并聯運行系統之間產生環流。等效線路阻抗匹配差異度和輸出電壓差異度越大，產生的環流越大[13]。如何減小SST并聯系統運行時的環流是研究熱點。

3 改進控制策略

3.1 虛擬阻抗的雙閉環控制

在電壓電流雙閉環中加入自適應虛擬阻抗能有效提高無功功率分配精度，抑制環流[14]。自適應的虛擬阻抗可以通過相關參數的變化不斷調整自身值，減少各SST之間的阻抗差異。計入虛擬阻抗的雙閉環控制的系統結構和控制過程示意圖如圖4所示[15-16]。采用電壓電流雙閉環的控制結構，將電感電流作為反饋信號，以系統中某臺逆變器控制為例。

圖4 系統結構和控制過程示意圖

圖5 電壓電流雙閉環控制示意圖

(11)

[ZV(s)Gin(s)+Zo(s)]I0(s)

(12)

(13)

(14)

在感性情況下ZV(s)=sLV，將其代入式(14)可得

(15)

3.2 新型自適應虛擬阻抗設計

目前，大量研究虛擬阻抗的文獻中設定了虛擬阻抗基礎值，但都默認加在等效線路阻抗較低的一側，但實際應用中無法測量等效線路阻抗較低處。為解決該問題，同時減小SST并聯運行時的功率均分誤差和系統環流，提出一種新型自適應虛擬阻抗：

(16)

將各個逆變器的無功容量與總輸出無功功率的比例權重計算所得值Qrefi作為各自的給定無功參考值，表達式為：

(17)

3.3 下垂控制的改進

對于有功電流的分配問題，由于在頻率控制環中采用PI控制，系統達到穩態時，頻率達到同步，即有ω1=ω2=…=ωn。如果容量相同的SST的下垂系數相等，那么有功功率就能得到均分。對于無功功率，因為控制環中沒有積分環節，穩態時無功電流受饋線阻抗、負載突變、頻率偏差等因素導致電壓跌落，加大了無功電流的均分難度，因此需要進行電壓補償。對應的電壓補償表達式為：

(18)

為了消除無功功率的波動，在式(18)中加入微分環節，提升系統運行時的響應性能。改進后的表達式為：

(19)

其中，K3和K4為電壓補償相系數。同時，為降低頻率偏差的影響，在f-Pi方程中增加有功微調補償相，對應的改進下垂控制總體方程為：

(20)

其中，K5、K6和K7為增加的有功微調補償修正系數。

3.4 控制策略的整體結構

改進控制策略整體結構如圖6所示。首先，對虛擬阻抗進行改進，降低功率均分誤差和系統環流；其次，針對系統中存在的電壓跌落和頻率波動問題對傳統下垂控制進行優化。

圖6 改進控制策略的整體結構框圖

4 仿真實驗

為驗證改進下垂控制策略的有效性，在Matlab平臺搭建多臺SST并聯運行的仿真模型，具體參數如表1所示。根據不同運行情況來檢驗改進后的控制策略。

表1 仿真參數

4.1 2臺SST并聯運行時投切負載

在容量相同的情況下，并聯系統在開始運行時接入負載1，在1 s時接入負載2，在2 s時切除負載2，相應波形如圖7和圖8所示。通過圖7的(a)—(c)可以發現，傳統控制方法和改進控制方法在并聯運行、負載投切過程中，SST1和SST2輸出的有功功率最終都能實現均分。但加入新型虛擬阻抗控制和改進下垂控制策略后，有功功率均分的動態性能得到明顯提升。

圖7 各種控制策略下SST輸出有功仿真結果

圖8 各種控制策略下SST輸出無功仿真結果

通過圖8和圖9可知，傳統控制策略無法實現無功均分，無功功率震蕩較大，在SST之間也存在較大環流。使用自適應虛擬阻抗策略后，無功功率均能準確且快速地均分，但無功功率震蕩依舊存在。此時加入改進的下垂控制策略后，無功功率能快速均分，且無功功率震蕩被抑制，對應的環流大大降低，充分驗證了所提出的自適應虛擬阻抗和改進下垂控制策略在功率均分、環流抑制方面的優越性，表明其具有良好的動態性能。

圖9 SST輸出電流與環流仿真波形

4.2 2臺不同容量SST并聯運行

當負荷投切過程與情況1相同，但2臺SST之間的容量比為2∶1時，通過對下垂控制式(3)和式(4)的分析可知，穩定運行時SST的下垂系數需滿足式n1Q1=n2Q2，m1P1=m2P2。因此在SST之間的額定容量比2∶1時，對仿真參數進行調整使得2X1=X2、2m1=m2、2n1=n2，其他參數不變，則2臺SST的輸出P1、P2與Q1、Q2的比值都為2∶1。在新控制策略下，對應的P、Q輸出波形如圖10所示。可以看出，2臺SST輸出的無功與有功的功率比值均為2∶1，在投切負載時同樣具有快速、準確的優點。

圖10 加入改進策略的不同容量SST并聯運行仿真結果

5 實驗驗證

5.1 實驗平臺介紹

搭建的逆變器硬件實物平臺如圖11所示。實驗以型號為TMS320C6657的DSP數字信號板為控制核心，在PE-iewX軟件使用C語言編程。實驗中，PE-Expert4控制機柜內主要使用的3個基板分別是型號為TMS320C6657的DSP板、高載波頻率PEV板和ADC數模轉換基板。可以提供以下幾種功能：① SST的U、W相與直流側電流信號的采集與處理運算；② 逆變器的U相、W相與直流側電壓信號的采集與處理運算；③ Upcc處三相電壓與電流信號的采集與處理運算；④ 對逆變器的功率開關管輸入PWM控制信號。所采用的并聯SST控制系統整體結構如圖12所示。

圖11 逆變器硬件實物平臺

圖12 并聯SST控制系統整體結構框圖

5.2 實驗結果

實驗硬件參數如表2所示，控制參數與仿真設置相同。

表2 實驗硬件參數

采用改進策略前后的實驗波形如圖13和14所示，其中I1為SST1輸出的電流，I2為SST2輸出的電流，IH= (I1-I2)為環流。

圖13 不同控制策略下并聯SST的輸出無功功率

傳統下垂控制策略的輸出無功與電流見圖13(a)和圖14(a)。由于線路阻抗存在差異，輸出電流存在一定的幅值差，2臺SST間的環流較大，存在無功不能均分的問題。加入新型虛擬阻抗策略后的實驗波形見圖13(b)。兩逆變器輸出具有較好的均流特性，實現了環流的降低與功率的均分，但無功功率震蕩較為嚴重。加入電壓與頻率補償后的輸出無功與電流見13(c)和14(b)，此時環流被極大抑制，功率均分效果大為改善，功率震蕩有效降低。

圖14 SST輸出電流和環流實驗波形

6 結論

1) 提出了一種改進的虛擬阻抗控制策略，將各個SST的額定輸出無功與總無功容量的比例作為基準，量出各個SST初始輸出功率，與基準功率進行一系列的比較判斷，自適應地調整虛擬阻抗值，使并聯運行的SST的輸出功率達到均分標準，從而抑制系統環流，提高能源利用率。

2) 在傳統下垂控制的基礎上增加頻率和電壓自適應補償兩個環節，有效降低電壓偏差和頻率偏差帶來的無功功率振蕩等影響，提升了系統的穩定性和快速響應能力。仿真和實驗結果證明了補償環節的有效性。