主从控制变流器电压比例分离控制策略_庄勇.pdf

第卷第期 年月电力电子技术，主从控制变流器 电压比例分离控制策略庄勇，王玮，唐芬，吴学 智（北 京交通大学，国家能源主动配电网技 术研发中心，北京）摘要：主从控 制的并联变流器在发生通信丢包时，若负载突变则会造成主从机不均 流甚至过 流停机。此处提出一种电压比例分离控制策略，主机电压环采用比例 积 分（）控制，其中比例控制器参 数分离为稳态比例 项 和动态比例项；从机增加电压环控制，采用比例控制器且参数与主机动 态比例项相同。首先对主从变流器系统进行建模，在此基础上提出电压比例分离控制策略，进一步分析了该策 略的均流原理。实验结果表明所提策略 能有 效解决 通 信丢包下主从控制变流器的不 均流问题，验证了所 提策 略的正确性和实用性。关键词：并联 变 流器；主从控制；电压比例 分离中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，？，？（）？，？，：；，（）引言变 流器并 联可有效提高 发电系统的可靠性、扩展性及 冗余 性。主流并 联变流器控制方法主要有集中控制、主从控制、分散逻辑控制 和 下 垂控制，其中主从控制采用有线 通 信，控制方 式简单、控制 精度 较高。并联变流器采用主从控制 时若 发生通信丢包，丢包从 机未能及时更新主机下发的指令，易出现主从机输出不均流问题，严重时会导致过流停机。文献针对主从控制下的三相变流器进行了基金 项目：中国南方电网有限责任公司科技项目（）定稿日期：作 者 简介：庄勇（），男，硕士研究生，研究方向为微网控制。阻抗建模和 稳定性分析。文献提出 了一种混合通信方案，包括了用 于各变流器共享负载电流的集中式通信方案以及用于负载电压调节的分散通信方案。文献考虑低带宽通信信号经滤波后产生的延迟使 得主从机电流环指令 不同步，从而提出了一种根据从机电容电压变化范围选择从机电流环接 受主机电流 参 考指令或本地电压环输出指令的方法。为解决主从变流器在通信丢 包情况下不均流的问题，此处提出 了一种电压比例分离控制策略。该策略主机电压环采用控制器，其中比例参数分 为 稳态比例 项和动 态比例 项，主机仅下发稳 态比例项 和积 分项的输出；从机增加电压环，采用 比例控制器，其比例参数与主机动态比例项相同。实验结果表明所 提方法能够有 效解决 主从变流器在通信 丢包情况下的不 均流问题。系统建模及电压比例分离策略并 联 变流 器系统模型传统主从并联变流器系统 结构 如图所示。变流器为主机，采用电压电流双环控制；变 流器办，？，？）为 从 机，采用单电流环控制，接受主机下发的电流 参考指令；。为负载电压；。为负载电流；分别 为主机、从机的电感电流；，分别为主机、从机的 电容电压。变流器工滤波 单元；丨电压环流脉宽调制，人叽电流坏社 宽调 制图并联变流器系统结构 当主从机通信 发生丢 包，从机不能及时更新主机下发的电流参考指 令时，若 发生负载突变，则主从机输出电流不一致。电压比例分离 控制 策略为解 决主从控制变流器在通信丢包期间 的不均流问题，提出一种电压比例分离控制 策略。将主机电压环比例 参数根据系统稳、动 态 性能要 求，分为稳态比例项与动态比例项两部分，增 加 从机比例控制电压环且控制参 数与，相同。图为电压比例分离控制策略 框图，？分别为主机与从机动态比例 项输出的电流 参考指令；为 主机稳态比例项与积分输出之和；，分别为主机与从机的电流环指 令。图控制策略框图（）设乂，传递函数为：，（）与按系统 稳态要 求 设计，（按系统动 态要 求 设计。主从机电流参考指 令为主机 稳态比例项与积分输出之和，加上本地动态比例 项输出：一【乙，一一【，式中：）友（）；？（）灸（）一（一）？一灸（以一）！一（）？（）均流 机理分析主从控制下的并联 变 流器按各从 机的通信状态，将 所 有从机划分为“通信 丢 包”与“通信正常”两种情况。通信 丢包：设有个 丢 包从机，编号为（，幻，该 部 分 从 机一直执行丢包前最 后一刻更新的电流 参考指 令；通信正常：其 余（：个正常 从机，编号为（，），该部分从机正常 更 新主机 发出的 电流参考指 令。图为加入电压比例分离控制策略后通信 丢包前后主机发出与从机执 行的电流环参考指令，时刻发生 通信丢包，时刻发生负载突变。开始丢包通信正常期通信丢包期主机发出？从机执行从，主机发出 丨常从机丨，（执行丢包从机丨（）执行，？图主机发出与 从机执行的指令 结合图，分别讨论通信正常与 丢包两种情况下系统 在稳、动 态 期间主从机电流环参考指令。情况通信正常，系统 处 在稳 态期间。可认为此时主、从机的动态比例项输出，和，较、，则：一人（）（以）（）！）（一）根据图，该情况下起主要调节作用，主从 机电流环按同一参考指令工作实 现均流。情况通信正常，系统 处在动态期间。与，差值较大，则：（）（）一（）一（一）变流器，？变流器？第卷第期电力电子技术，年月脉主广通主从控制变流器电压比例分离控制策略（格）（格）（）稳态 期间（）动态期间图实验波 形 由图可知，在系统的稳 态 和动态情况下，加入所提控 制 策略后，二相负载电压均（下转第觅）（格）（格）（）传统主从控制 策略（）电压比例 分 离控制策 略图实验波形图为系统稳、动态期间的输出电压及与 突变的负载电流波形，其中，图为加入所提比例分离控制策 略后，系统在稳态期间 的与波形，图为投入变 流器负载时的与波形。部 分组成。其中，并联变流器一主一从共两台。实验参数如下：交流侧额定峰 值电压为，直流侧额 定电压为，变流器滤波电感 为，滤波电容为，通信丢包时间为，通信正常期间变流器带 载功率为，通 信丢包期间再次投入额外功率负载为。：模拟量采样控制 脉冲主丨机丨丨从机并联 变流器图硬件实验平台框图 实验中采用通信延迟的方法来模拟通信丢包。图为从机发生通信延迟情况下的主从机相电感电流对比，；为扰动的 负载电流；为主机相电感电流；为从 机相电感电流；主从机相电感电流差值，其中，图 采用传统主从控制 策略，图采用 电压比例分 离控制策略。时刻系统发生 通信丢包；时刻负载发生 突变，投入的变 流器负载；时刻通信恢复正常。由图明显可见，发生 通信 丢包后，电压比例 分 离控制策略可以有效实现主从机均流。根据图，因为且主从机动态比例项参数设置一致，所以主从机电流环按同一参考指 令工作实现均 流。同时，短时间内主机稳态比例 项与积分输出之和变 化不大，故该情况下和，起主 要调作用。情况结合图，乃时间内通信丢包，系统处在 稳态 期间，可认为，此时丢包从机未 能更 新主机电流 参考指令，且稳 态 期间【，和，、，则：一（）（）（）（），一该情况下对于主机、正常通信从机而言，起主要调节作用；对于丢包从机而曰，电流环主要执彳丁，可忽 略较小的动态比例 项输出。由于系统处于稳态期间，所以短时间内变 化不大，该期间内，所以主从机电流环按同一参考 指令工作 实现均流。情况结合图，时刻通信丢包，系统处在 动态期间，与差值较大，丢包从机未能更新主机电流参考 指 令，则：（一）（以）一（以）（）【左（）该情况下，短时间内变 化不 大，考虑动态响应而设计的动态比例项的输出，和起主要调节作 用。而且主从机动态比例项参数设置一致，则可认为，所以主从机电流环按同一参考指 令工作实现均 流。由上述分析可知，所提电压比例分 离控制策略的核心在于，系统 稳 态期间的主从机均 流主要依靠主机下发的稳态比例项与积 分输出之和调节，而系统动态期间的均流则主要依靠 所 有机组本地的动态比例项输出调节，并 不 受通信丢包的影响。实验 验证为验证所 提控制策略的有效性，搭建了基于的硬件实验平台，如图所示。该实验 平台主要由上位机、控制器、并联变 流器等）（逛），、基于的大容 量 直流变压器设计：，、？（格），（格）（）控制（）控 制压，缓冲电容不产生浪涌电流，系统 能 够可靠运行。在中，由于缓冲电容的充 放电过程，隔离变压器的？得到优化，有利于隔 离变压 器长期运行。图中电压振荡 为系统中杂散电感与关断缓冲电容之间的振荡，可通过优 化结 构设计改善，并不影响系统正常运行。（格），（格）（）控制（）控 制图稳态实验波 形 结论由于其高通流能 力被广 泛应用在兆瓦级变换器中，其运行结温是制约系统容量的重 要因素。通 过并联 缓冲电容的方式实现的准 零电压关断，器件关断损 耗降低约，大幅 度降低芯片 结温。为了保证系统的可靠运行，防止缓冲（上接第）能保持稳定，即变流器在 该控制策略下能 为负载提供 稳定可靠的电压输出。通过该实验证明了所提电压比例 分离控制策略的有 效 性。结论针 对主从控制变流器在通信 丢包期间，若发生负载突变，可能造成主从机不均 流 甚至过流 停机的问题，提出 了电压比例分离控制策略。将传统主机电压环控制器中的比例控制器拆分为稳态比例 项 与 动态比例 项；增 加从机电压环控制，采用比例控制器，其参 数与主机动态比例项 相同；所有机组动态比例 项对本地电容电压进行调节，叠加主机稳态比例项与积 分输出之和作为各自的电流 参 考指令。对加入电压比例分离控制策略后的主从机均流机理进行分析。实验证明，电压比例分离控制策略 能够有 效实现通信 丢包期间的主从机均流，且不会影响系统稳 态期间的输出。电容失效，提出了基于 最小回流电流注入的软 换流控制，使 得在不增 加额外器件的基础上实现了全功率范围 的零电压开通，并给出了参数设计与系统配合方案。最后，搭建了的 的样机验证了所提理论的可行性。参 考文献王舒炜含分布 式光 伏及储能的交 直流配电网优 化 控制技术研宄淄博：山东理工大学，张中锋，谢 晔 源，许烽，等适用于直流配电 网 的直流变压 器技 术研究电力电子技术，（）：，杨林，傅守强，陈 翔 宇，等双主 动桥型直流变压器调 制方法分 析与比较电力电子技术，（）：周文鹏，曾嵘，赵彪，等大 容量全控型压接式和器件对比分 析：原理、结 构、特性和应用中国电机工程学报，（）：，？，（）：，？：参考文献余墨多，黄文 焘，邰能 灵，等逆 变型分 布 式电源并网运行暂态 稳定机理与评 估方法电工技术学报，（）：，曹 文远，韩民晓，谢文强，等交直流配电 网逆变器并联控制技术研宄现状 分 析电工技术学报，（）：，？，（）：，？，（）：朱利锋，吴 彬锋，宋恩亮，等主从结构下储能变流器并联运行建模与 附加控制电力 系统及 其自动化学报，（）：途、？、（）？（安？）？（垄）、