储能型MMC-HDT的无源控制及模式切换控制策略.pdf
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1、电气传动 2023年 第53卷 第8期ELECTRIC DRIVE 2023 Vol.53 No.8摘要:针对智能煤矿建设的需求和煤矿井下电网存在的问题,提出了一种含有储能模块的储能型模块化多电平混合式配电变压器(MMC-HDT)。首先,对提出的储能型MMC-HDT进行建模,并考虑电网故障和储能荷电状态(SOC)给出四种工作运行模式。其次,根据MMC-HDT交流侧的端口受控耗散哈密顿模型(PCHD)设计无源控制器。最后,设计四种工作运行模式的切换控制策略。实验结果表明,所提控制策略在储能型MMC-HDT中,馈网电流稳态总谐波畸变率进一步降低,有效限制电压故障时馈网电流无限制突增;在任何电网电压
2、故障状态下,均可以实现负荷电压保持在额定值处,可以实现不间断供电的功能,提高了配电系统的可靠性。关键词:混合配电变压器;端口受控耗散哈密顿模型;无源控制;模块化多电平变换器中图分类号:TM727文献标识码:ADOI:10.19457/j.1001-2095.dqcd24222Passivity-based Control and Mode Switching Control Strategy of Energy Storage MMC-HDTYANG Tianxiang,CHENG Zhijiang,YANG Handi,TIAN Feng(Engineering Research Cente
3、r of Ministry of Education for Renewable Energy Generation andGrid Connection Technology,Xinjiang University,Urumqi 830047,Xinjiang,China)Abstract:Aiming at the demand of intelligent coal mine and exit problem of underground coal mine powernetwork,an energy storage hybrid distribution transformer ba
4、sed on modular multilevel converter(MMC-HDT)was proposed.Firstly,the proposed energy storage MMC-HDT was modeled and four operation modes were givenconsidering grid fault and state of charge(SOC).Secondly,the passivity-based controller was designed accordingto the port controlled Hamiltonian with di
5、spersion(PCHD)model on the AC side of MMC-HDT.Finally,theswitching control strategy of four operation modes was designed.The experimental results show that the proposedcontrol strategy in energy storage MMC-HDT can further reduce the steady-state total harmonic distortion(THD)rate of feeder current
6、and effectively limit the unrestricted sudden increase of feeder current in case of voltage fault.In any grid voltage fault state,the load voltage can be maintained at the rated value,the function of uninterruptedpower supply can be realized,and the reliability of the distribution system can be impr
7、oved.Key words:hybrid distribution transformer(HDT);port controlled Hamiltonian with dispersion(PCHD);passivity-based control;modular multilevel converter(MMC)基金项目:新疆维吾尔自治区自然基金(2021D01C046);新疆维吾尔自治区重点实验室建设项目(2021D04011)作者简介:杨天翔(1995),男,硕士研究生,Email:通讯作者:程志江(1977),男,博士,副教授,Email:储能型MMCHDT的无源控制及模式切换控制策
8、略杨天翔,程志江,杨涵棣,田峰(新疆大学 可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心,新疆 乌鲁木齐 830047)杨天翔,等近些年来,以煤矿电网为主的含有非线性敏感负荷的特殊配电系统提出了“煤矿坚强智能电网”的思路,强调要向煤矿电网智能化发展,保障煤矿供电系统的安全可靠1。在煤矿配电网中,配电变压器是不可缺少的电力设备。近些年来,由于电力电子变压器(power electronic transformer,PET)相较于传统配电变压器,具备电能质量调节等特殊功能,成为煤矿配电变压器中新的研究热点2-3。受制于当前设备成本及运行可靠性等因素的影响,电力电子变压器在应用推广上存在一定限制4,在此
9、基础上混合式配电变压器(hybriddistribution transformer,HDT)应运而生5。HDT保留了传统工频变压器的结构,仅在二次侧增加一组绕组接入电力电子装置,使HDT的19杨天翔,等:储能型MMCHDT的无源控制及模式切换控制策略电气传动 2023年 第53卷 第8期设备成本、运行可靠性和设计复杂度较PET大大降低5。得益于HDT二次侧其中一组电力电子装置绕组,针对不同应用场景可以加入多种不同功能6-8。目前国内外学者多集中在对低压配电网中HDT拓扑结构和补偿功能的研究,针对特殊非线性敏感负荷需求的煤矿中高压配电网研究较少。针对中高压配网的HDT,文献9首先提出了模块化多
10、电平(modular multilevel converter,MMC)拓扑的 HDT结构(MMC-HDT),但其仅针对无功补偿和电压暂降问题进行讨论。传统的 MMC-HDT中常采用基于矢量PI的控制策略,虽然其可以达到控制目标,但其补偿能力仍有提升空间。本文根据传统 MMC-HDT,提出了一种储能型MMC-HDT的结构。在所提出的储能型MMC-HDT 基础上,设计基于 PCHD 模型的无源控制器。针对储能模块在不同电网故障工况下的功能,提出对应的模式切换控制策略。通过电力电子仿真软件PLECS 4.5.7的仿真实验验证所提控制策略的有效性。1储能型MMC-HDT的结构及工作原理本文提出的储能
11、型 MMC-HDT 如图 1 所示。HDT 通过三绕组变压器 Tsh连接中高压电网,Tsh原边绕组采用三角型连接,副边绕组A,B都采用星型连接。前级变换器通过绕组B连接至电网,后级变换器经过串联耦合变压器Tsr,将补偿电压耦合至负荷处。HDT 前、后级变换器通过直流侧电容背靠背连接。KT为含有吸收电路的静态开关,可以决定后级变换器的投入投出。当电网正常时,K1,KT投入,K2断开,此时仅前级变换器参与工作;当电网电压暂降时,K1,K2投入,KT断开,此时HDT前、后级共同工作保证负荷正常运行;当电网电压中断时,K1,KT投入,K2断开,此时HDT前级进入孤岛运行模式实现负荷不间断供电。图1储能
12、型MMC-HDT结构Fig.1The structure of MMC-HDT with energy storage sub-module图2为储能型MMC-HDT的简化模型。其中us为变压器一次侧电压;is为一次侧电流;三绕组变压器一次侧与二次侧绕组的变比均为N n;串联耦合变压器变比1 1;ishL为前级变换器的经过LC 滤波的补偿电流;usr为后级变换器的补偿电压;uLOAD,iLOAD分别为负荷处的电压与电流。图2储能型MMC-HDT简化模型Fig.2Simplified model of MMC-HDT with energystorage sub-module根据简化模型,可以得
13、到负荷处电压补偿原理和一次侧电流补偿原理的数学表达式如下:nNus+usr=uLOADNnis+ishL=iLOAD(1)根据式(1),通过电流检测算法得到待补偿电流ishr,使ishL跟踪ishr实现无功补偿、谐波消除、稳定直流侧电压的功能;通过电压检测算法得到待补偿电压usrr,使usr跟踪usrr实现稳定负荷处电压的功能。图 3 为储能型 MMC-HDT 前、后级变换器的拓扑结构。其中 L为桥臂电感;RL为桥臂电阻;T1,T2为每个子模块(sub module,SM)中的可控开关管;D1,D2为开关管处续流二极管;uj为交流侧电压;upj,unj分别为上、下桥臂子模块总电压;ij为交流侧
14、电流。储能型 MMC-HDT前级 MMC变换器含有分布式储能子模块,后级与传统 MMC变换器子模块相同。前级子模块中开关K决定储能电池组的投入或投出。前级分布式储能子模块的意义在于:1)在电网发生电压中断时可以提供不间断电源,保障负荷安全过渡;2)在后级投入补偿时可以防止馈网电流过大导致过流保护误动作;3)相较其他电能质量治理设备通过DC/DC变换器在公用直流侧增加储能装置,分布式储能单元可以适应更高直流侧电压等级,且每个子模块的充放电时间可控,增强了不同储能单元的均衡能力。得益于MMC的拓扑结构,储能型MMC-HDT为退役动力电池的再利用提供了新的场合。HDT 前、后级 MMC 变换器结构仅
15、子模块不20杨天翔,等:储能型MMCHDT的无源控制及模式切换控制策略电气传动 2023年 第53卷 第8期同,其他参数均相同。对其中一级的j(j=a,b,c)相上下桥臂,根据KVL和KCL可以得到MMC交流侧表达式如下:ej=uj+L2dijdt+RL2ij(2)其中ej=unj-upj2(3)式中:ej为定义的MMC等效内电势。图3储能型MMC-HDT前、后级变换器的拓扑结构Fig.3Topology of MMC-HDT front and rear stage converters根据式(2)、式(3),可以设计基于PCHD模型的HDT电流环无源控制器。通过安时积分法可求取每个子模块当
16、前的SOC。考虑电网故障类型和储能模块SOC,本文提出的储能型 MMC-HDT 一共有 4种工作模式,具体如下:模式一:电网正常,SOC0.9,前级投入,储能子模块投出,后级投出;模式二:电网正常,SOC0.9,前级投入,储能子模块充电,后级投出;模式三:电网故障,0.1SOC0.9,前级投入,储能子模块放电,后级投入;模式四:电网电压中断,0.1SOC0.9由于储能电池组已经达到额定SOC状态,为了防止过充,储能电池组投出。投出后,储能型MMC-HDT 的前级仅通过子模块电容参与 MMC变换器运行。切换控制策略主要维持直流母线功率与交流侧功率动态平衡,保证 MMC内部各相间的自然换流。其PI
17、控制率可以表示为idcref=Kdcp(Udcref-u dcavg)+Kdci(Udcref-u dcavg)dt(17)其中udcavg=(uaplus+ubplus+ucplus)/6uaplus=upa+unaubplus=upb+unbucplus=upc+unc式中:Kdcp,Kdci为PI控制器的比例、积分增益;idcref为直流有功电流需求量;Udcref为直流侧参考电压;u dcavg为udcavg通过低通滤波的各桥臂平均电压。模式一控制框图如图4所示。图4模式一控制框图Fig.4Control block diagram of mode 13.2模式二:电网正常,SOC0.
18、1储能型MMC-HDT前、后级同时投入工作,前级储能电池组投入。传统的MMC-HDT由于不含有分布式储能模块,后级补偿电压的有功消耗需要完全通过前级从电网中汲取,使其瞬间馈网电流增大,引发过流保护的误动作。模式三控制环节与模式二相同,采用限幅环节限制馈网电流,保障了储能型MMC-HDT的可靠性。前级变换器交流侧采用 LC滤波结构,为了使模式一到模式三补偿电流准确馈入电网,需要电容Cf的电流前馈量。由于HDT二次侧电压可以通过计算得到,故根据下式求得该电容电流的前馈量:i+shCfd=Cfdu+sddt-Cfu+sqi+shCfq=Cfdu+sqdt+Cfu+sdi-shCfd=Cfdu+sdd
19、t+Cfu-sqi-shCfq=Cfdu+sqdt-Cfu-sd(19)3.4模式四:电压中断故障,SOC0.1由于电网出现电压中断,变压器一次侧与电网断开,储能型MMC-HDT的后级不能形成独立回路,已经无法补偿该故障。前级由于其通过三绕组变压与电网呈现天然的电气隔离,电压中断23杨天翔,等:储能型MMCHDT的无源控制及模式切换控制策略电气传动 2023年 第53卷 第8期对前级并无严重影响。此时前级从电能质量治理过渡到采用储能供给负荷能量的电能备用,渡过该故障。储能型MMC-HDT的控制需要电网的同步相位,为了保障负载能无相位跳变过渡到孤岛运行,并在电网恢复供电后平滑过渡到电能质量治理模
20、式,需要设计电网相位的孤岛并网切换策略。同步相位的孤岛并网切换和并网预同步策略如图6所示。图6同步相位的孤岛并网切换和并网预同步策略Fig.6Synchronization phase island switching andgrid-connected pre synchronization strategy当一次侧检测到电压中断时,孤岛模式切换信号取 1,孤岛模式启动,变压器一次侧与电网断开,储能型 MMC-HDT 的后级投出,HDT 前级转为孤岛运行模式。HDT所有相位参考信号由上一控制时序锁存到的电网相位开始以理想电网角频率进行旋转,实现孤岛模式下的理想电网锁相。电网恢复供电后,相位预
21、同步模块启动。预同步模块对恢复后电网电压经过锁相环的实测相位和当前孤岛理想电网相位的误差,通过一个PI控制器实现对于q信号的无差跟踪。经过一定时间后,锁相环测得实际相位与孤岛理想相位相差相同时,电网相位即可以恢复由电网实际电压锁相得到的相位,实现电网相位的平滑切换。孤岛模式切换信号在锁相环同步后输出0。除同步相位的切换策略以外,控制策略也需要进行切换。具体而言,当电网发生电压中断时,前级上层控制策略需要从功率调节的控制目标转变为负荷理想电压跟踪的控制目标,实现电压中断后保障负荷正常运行的目的。此时前级上层控制策略与后级电压外环控制策略相同。根据前、后级滤波电容 Cf处的 KCL,可以得到正负序
22、PI矢量控制的控制率:i+rd=i+Ld-Cfu+q+Kp(u+rd-u+d)+Ki(u+rd-u+d)dti+rq=i+Lq+Cfu+d+Kp(u+rq-u+q)+Ki(u+rq-u+q)dti-rd=i-Ld+Cfu-q+Kp(u-rd-u-d)+Ki(u-rd-u-d)dti-rq=i-Lq-Cfu-d+Kp(u-rq-u-q)+Ki(u-rq-u-q)dt(20)式中:i+rd,i+rq,i-rd,i-rq为模式四或后级电压外环输出的电流环内环参考信号;i+Ld,i+Lq,i-Ld,i-Lq为经过 LC滤波器后的补偿电流;u+rd,u+rq,u-rd,u-rq为电压环参考信号。在前级模
23、式四参考信号的选择中,前级u+rd设计为负荷额定有效值ULOAD的2倍,u+rq,u-rd,u-rq=0。后级补偿电压跟踪电压环参考信号均来自电压检测算法的待补偿电压信号9。综上,电流环正序无源控制器d轴的参考信号为直流有功功率需求量i+dcref、通过电流检测算法得到正序谐波d轴分量12和电容电流前馈d轴正序量i+shCfd之和,q轴参考信号为电流检测算法得到的负载无功电流i+Lq、谐波q轴分量和电容电流前馈q轴正序量i+shCfq之和;电流环负序无源控制器d轴的参考信号为谐波d轴分量、电容电流前馈d轴负序量i-shCfd之和,q轴参考信号为谐波q轴分量、电容电流前馈q轴负序量i-shCfq
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