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          微型電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的四象限運(yùn)行動態(tài)特性研究

          作者:李栩 郭軍煒 時間:2015-12-28 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:本文主要研究一個與城市供電并聯(lián)的微型電網(wǎng)在功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)四象限運(yùn)行條件下的動態(tài)特性,以城市供電系統(tǒng)、微電源、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、靜態(tài)負(fù)載、以及其他系統(tǒng)組件組成的系統(tǒng)為研究對象。首先建立系統(tǒng)組件的數(shù)學(xué)模型,利用Matlab/Simulink的SimPowerSystems模塊進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明:此功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)能在不影響其他組件的情況下進(jìn)行四象限輸出控制,且該微型電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,各電源運(yùn)行也符合預(yù)期,為功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供重要參考。

          摘要:本文主要研究一個與城市供電并聯(lián)的四象限運(yùn)行條件下的動態(tài)特性,以城市供電系統(tǒng)、微電源、、靜態(tài)負(fù)載、以及其他系統(tǒng)組件組成的系統(tǒng)為研究對象。首先建立系統(tǒng)組件的數(shù)學(xué)模型,利用Matlab/Simulink的SimPowerSystems模塊進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明:此能在不影響其他組件的情況下進(jìn)行四象限輸出控制,且該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,各電源運(yùn)行也符合預(yù)期,為功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供重要參考。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/284995.htm

            是將一定區(qū)域內(nèi)的負(fù)載與整合成可控制的系統(tǒng)以提供電力給用戶。微型電網(wǎng)技術(shù)主要包括微汽輪機(jī)、燃料電池、風(fēng)力機(jī)、太陽能光電、儲能技術(shù)等,其特點(diǎn)包括即插即用、規(guī)模可變、余熱發(fā)電、可在孤立和并聯(lián)運(yùn)行間平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。此外,微型電網(wǎng)應(yīng)能提供設(shè)備即插即用的功能,即系統(tǒng)內(nèi)模塊可任意變動位置而不需調(diào)整任何監(jiān)測參數(shù)與保護(hù)設(shè)定閾值。微型電網(wǎng)孤立運(yùn)行時,因可再生能源機(jī)組系統(tǒng)內(nèi)大都含有變頻器,除傳統(tǒng)的過電流保護(hù)方式和保護(hù)協(xié)調(diào)觀念需要調(diào)整外,分散式電源控制、電力潮流控制以及系統(tǒng)擾動下的卸載控制等,均需作相應(yīng)的調(diào)整[1-2]。

            本文主要研究一個與城市供電并聯(lián)的微型電網(wǎng)在功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)四象限運(yùn)行條件下的動態(tài)特性,通過數(shù)學(xué)模型構(gòu)建微型電網(wǎng)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型、系統(tǒng)組件模型,然后利用MATLAB的SimPowerSystems模塊對各模型進(jìn)行動態(tài)特性模擬,所得結(jié)果可作為功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的重要參考[3]。

          1 微型電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

          1.1 狀態(tài)空間表示法

            狀態(tài)空間法是利用一組首階微分方程構(gòu)建系統(tǒng)組件及整個系統(tǒng)的動態(tài)模型,此法可將組件模塊化后進(jìn)一步加以連接,如此可使研究的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有彈性且多元化。利用狀態(tài)空間法,系統(tǒng)組件可表示為[4-5]

          (1)

            式中,[x]是n維狀態(tài)參數(shù)矩陣, [u]是m維輸入矩陣,[A]、[B]分別為nxn維系數(shù)矩陣和nxm維控制矩陣,p 是微分算子。

              假設(shè)與城市供電系統(tǒng)并聯(lián)的微型電網(wǎng)由一套容量為68kW的微型汽輪機(jī)系統(tǒng),一套容量為32kW的,一套容量為98kW的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng),靜態(tài)負(fù)載以及其他組件構(gòu)成。其中微型汽輪機(jī)系統(tǒng)由微型汽輪機(jī)、永磁式發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)換器和控制機(jī)構(gòu)組成;太陽能系統(tǒng)由太陽能光板、轉(zhuǎn)換器和控制機(jī)構(gòu)組成;功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)由蓄電池、轉(zhuǎn)換器和控制機(jī)構(gòu)組成。在一定程度上,各系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換器和控制機(jī)構(gòu)都是相似的。兩組靜態(tài)負(fù)載功率均為27.5kW,外加一組選擇性負(fù)載,功率為19kW。圖1為系統(tǒng)組件功率潮流,圖中各組件的實(shí)功與虛功關(guān)系可表示為:

          (2)

            功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的四象限運(yùn)行動態(tài)特性為:

          (3)

            式中,PMG,QMG為微型電網(wǎng)的實(shí)功率與虛功率,PMGT1,QMGT1為MPS的實(shí)功率與虛功率,PPV1,QPV1PVPS的實(shí)功率與虛功率,PPCS,QPCSPCS的實(shí)功率與虛功率,PL1,PL2,PL3,QL1QL2,QL3為SL的實(shí)功率 與虛功率。

          2 系統(tǒng)組件的數(shù)學(xué)模型

          2.1 太陽光電系統(tǒng)模型

            太陽能光電系統(tǒng)由許多太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)或并聯(lián)組成,太陽能電池由多個P-N結(jié)半導(dǎo)體組成,將光能轉(zhuǎn)化成電能。如圖2所示 ,用一個電流源表示太陽能模塊的等效電路,其中電流源Iph為太陽能板經(jīng)光照后產(chǎn)生的電流,RsRSH為材料內(nèi)部的等效串聯(lián)和并聯(lián)電阻,Ipv,Vpv表示光電板輸出的電流和電壓,RL為外加負(fù)載。一般情況下,為簡化分析將 RsRSH忽略不計(jì),太陽能電池輸出電流、電壓的關(guān)系為[6-7]

          (4)

          (5)

          (6)

            式中,Ipv,Isc分別為太陽能電池輸出電流和短路電流,Voc,Vmp,Imp分別為太陽能電池開路電壓,最大功率處的電壓及電流,Ett,Est為太陽能日照強(qiáng)度和參考強(qiáng)度,α,β為太陽能電池溫度系數(shù)和電壓溫度系數(shù), Ta為環(huán)境溫度[8]。

            對于大部分微電網(wǎng)系統(tǒng),風(fēng)力發(fā)電與均具適和最大功率點(diǎn)追蹤的控制策略。根據(jù)典型太陽能電池P-V曲線,最大功率追蹤根據(jù)功率與電壓的變化斜率來調(diào)整電壓以追蹤最大功率點(diǎn)。當(dāng)dP/dVp>0時,電壓Vp增加,當(dāng)dP/dVp<0時,電壓vp減少。圖3為據(jù)此準(zhǔn)則設(shè)計(jì)最大功率追蹤控制器結(jié)構(gòu)。<>


          2.2 功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型

            本文使用的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)搭建在一個低壓轉(zhuǎn)換平臺上,通過彈性與高模組化的電力電子結(jié)構(gòu)提供較寬的頻帶特性。通過功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的寬頻特性強(qiáng)化和提高智能電網(wǎng)的性能、品質(zhì)及可靠度。本功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)節(jié)控制實(shí)功率和虛功率。在市網(wǎng)停電條件下,設(shè)定系統(tǒng)孤島運(yùn)行模式或關(guān)閉系統(tǒng),繼續(xù)為負(fù)載供電。當(dāng)市電恢復(fù)供電后,功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)重新并聯(lián),允許無縫連接到市電。而圖4為一個功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)功率與虛功率控制策略示意圖,包括轉(zhuǎn)換器、直流連接界面、市電與耦合單元以及需量控制器。在此控制模式下,為設(shè)定值,通過這兩個設(shè)定值,可使功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)達(dá)到四象運(yùn)行。微型電網(wǎng)在 固定功率模式下, 可由式(2),(3)求得。

          2.3 微汽輪機(jī)模型

            微型汽輪機(jī)模型與汽輪機(jī)模型相似,模塊結(jié)構(gòu)包括汽輪機(jī)和控制系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)包括速度控制、溫度控制、加速度控制和燃料控制系統(tǒng)。通過改變汽輪機(jī)速度控制參數(shù),并控制原動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),使汽輪機(jī)在設(shè)定參數(shù)下運(yùn)行。溫度控制可預(yù)防原動機(jī)超溫,當(dāng)溫度過高時溫度控制傳輸信號至燃料系統(tǒng)降低燃料輸入。加速度控制是當(dāng)原動機(jī)啟動或加速到額定轉(zhuǎn)速時,傳送控制信號至燃料系統(tǒng)使轉(zhuǎn)速不會持續(xù)上升,燃料控制系統(tǒng)主要控制輸送至汽輪機(jī)燃料的多少。


          本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第1期第60頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。



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