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基于準PR控制的飛輪儲能UPS系統

作者:呂靜亮 姜新建等 來源:儲能科學與技術 發布時間:2020-06-12 瀏覽:
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UPS系統在電網故障情況下為電能質量敏感設備和重要場所提供了必要的電力供應。飛輪儲能方式與蓄電池儲能相比,具有效率高、維護成本低和無污染等優勢。UPS系統按拓撲可分為在線雙變換式、在線交互式和后備式三種,后備式與兩種在線式相比具有結構簡單、成本低和效率高的優勢,但是響應速度較慢。本工作提出了一種基于準PR控制方法的飛輪儲能UPS系統及其控制策略,該系統采用可控硅作為轉換開關,采用準比例諧振控制與矢量控制相結合的控制策略,使該UPS克服傳統后備式UPS響應慢的缺點,具有較高的動態和穩態供電性能。給出了該UPS系統工作機制、準比例諧振控制方法以及網側和機側矢量控制策略,通過仿真和實驗證明了該系統具有良好的動態響應能力和較高的供電質量。

關鍵詞 飛輪儲能;UPS;準比例諧振控制;矢量控制

根據電力部門統計,在諸如暫態電能質量問題中,電壓跌落發生頻率最高,大多持續10 ms至1 min。在用戶側,云計算中心、半導體制造工廠和重要活動現場等場所對電力供應的穩定性要求比較高,電壓跌落會造成嚴重損失。目前,不間斷電源(uninterruptible power supply,UPS)技術是解決電壓跌落問題最常用的方法之一,相比于動態電壓調節技術和統一電能質量控制技術,UPS使用門檻低,也更加靈活。

文獻[3]系統地梳理了蓄電池UPS的拓撲分類,即在線雙變換式、在線交互式和后備式三種,并分析了各拓撲的運行機制以及動態性能。閥控式蓄電池具有能量密度大、技術成熟等優點,目前在UPS系統中應用最為普遍,但是其缺點在于充電時間長、平均無故障時間短、環境不友好等,而且使用壽命為僅5年左右。飛輪儲能技術是一種清潔環保技術,借助于磁懸浮技術和電力電子技術的發展,飛輪儲能單元具有效率高、維護成本低、可頻繁充放電等優勢,而且使用壽命可達20年,可較為理想地替換蓄電池。近幾年國外的Vycon、Active Power、盾石磁能科技有限責任公司等公司開發的飛輪儲能UPS已成功應用于軌道交通和微電網等領域,國內的高校和公司在飛輪儲能領域也做了很多研究。然而,大部分的產品和研究主要集中于在線式拓撲,如Vycon公司VDC系列產品和文獻采用背靠背變流器為負載供電,飛輪控制器的直流側與背靠背變流器的直流母線連接,這種拓撲供電質量比較高,而可靠性和效率相對較低;Active Power公司開發的CLEAN SOURCE系列產品采用并聯在線式拓撲,提高了可靠性和效率,但是結構相對復雜。

本工作在當前飛輪儲能UPS拓撲及控制策略的研究基礎上,提出了新型后備式飛輪儲能UPS及其控制策略。該系統利用可控硅開關和準比例諧振(quasi-PR)控制方法為負載提供快速、高質量電力供應,簡化了拓撲結構的同時提高了系統可靠性和效率。本工作給出了充、放電過程中雙向變流器的控制策略以及正弦電壓輸出準PR設計方法。最后通過仿真和實驗證明了該系統具有響應快、供電質量高的特點。

1 基于飛輪儲能的UPS系統拓撲

1.1 在線雙變換式

在線雙變換式飛輪UPS由AC/DC變流器、DC/AC變流器、電機驅動變流器、飛輪電機及切換開關等幾部分組成,其拓撲結構如圖1所示。雙變換式UPS中,DC/AC變流器時刻為負載提供高質量電力供應,而不受電網電壓波動或掉電的影響,這是該拓撲的最顯著優點。其缺點在于,DC/AC變流器時刻滿負荷工作,而且AC/DC變流器在大部分時間下滿負荷或者超負荷工作(飛輪充電階段),致使UPS系統的效率和可靠性不會很高。另外,AC/DC變流器的整流變換還會向電網輸送一部分電流諧波。

圖1   在線雙變換式飛輪儲能UPS結構示意

1.2 在線交互式

在線交互式UPS由耦合變壓器、AC/DC變流器、DC/AC變流器、電機驅動變流器和飛輪電機等組成,其拓撲結構如圖2所示。在線交互式UPS系統可以認為是一種帶儲能的統一電能質量控制器(unified power quality conditioner),兼有串聯補償和并聯補償的功能。在電網電壓正?;蛴猩僭S跌落時,DC/AC變流器不工作,AC/DC變流器以低負荷狀態運行;當電網跌落嚴重時,AC/DC變流器不工作,DC/AC變流器滿負荷工作。這種拓撲在向負載提供高質量供電的同時,其效率比雙變換式有所提高,但是其缺點在于所需設備較多,而且控制算法比較復雜。

圖 2   在線交互式飛輪儲能UPS結構示意

1.3 后備式UPS

后備式UPS由雙向變流器、飛輪電機和兩個開關等組成,其中雙向變流器由背靠背的AC/DC和DC/AC變流器組成,此處的DC/AC也可以認為是在線式結構中的電機驅動器。后備式飛輪儲能UPS的拓撲結構如圖3所示。當電網電壓正常時,電網通過切換開關K1為負載供電,同時為飛輪充電;當電壓跌落至小于設定值時,K1斷開,UPS為負載供電,直到電網恢復或者飛輪轉速跌破下限。開關K2用于斷開飛輪儲能單元,以便安裝和檢修。

圖 3   后備式飛輪儲能UPS結構

當電網電壓正常時,飛輪電機保持額定轉速,稱之為浮充。由于采用非接觸磁懸浮軸承,功耗較小,此時雙向變流器基本不工作;當UPS放電時變流器才會滿負荷運行,因此這種拓撲的效率是最高,而且只需要兩個變流器,而在線式拓撲需要3個。但是由于開關K1動作慢,加之飛輪輸出電壓控制不理想,后備式UPS投入時間約為十幾毫秒至幾十毫秒,響應速度不如在線式。另外,輸出電壓相位也不能保證與電網電壓相位一致。

鑒于后備式飛輪UPS的缺點,本文提出的新型后備式飛輪UPS采取三項措施保障其快速響應能力:①電網電壓快速檢測,并根據負載允許最低供電閾值,建立施密特觸發機制;②開關K采用可控硅,以縮短切換時間;③采用準PR控制方法快速控制輸出電壓,并配合放電控制策略為負載持續提供功率。新型UPS系統拓撲及控制機制如圖4所示。飛輪電機采用外轉子結構的永磁同步電機,以提高功率密度和運行效率。

圖 4   UPS充放電機制

2 飛輪儲能UPS控制策略

飛輪儲能UPS控制策略包括充放電機制和充放電控制方法,前者是關于UPS系統對電網電壓跌落以及恢復所做出的應對措施,后者是關于UPS系統在充放電過程中對雙向變流器做出的控制。

2.1 充放電機制

UPS工作時,通常設定飛輪最高工作轉速ωmax和最低工作轉速ωmin,并時刻檢測電網電壓波動情況。若同時滿足:①電壓跌落至負載允許最低工作電壓UL_min水平;②飛輪運行轉速高于ωmin,則UPS開始放電。若電網電壓恢復至高于UL_min某一值,UPS開始充電。若在放電期間轉速降到ωmin時電網電壓仍未恢復,UPS停止放電,保持最低速運轉。

2.1.1 電網電壓檢測

在圖4所示的電壓檢測環節中,采樣電網電壓,計算相角和幅值,并將幅值做濾波防抖和施密特觸發處理。結合飛輪轉速以及電壓檢測結果生成充放電指令,控制切換開關K和充放電控制策略。電壓鎖相角度實時輸入至控制策略,以作為輸出電壓的起始相角。

在圖4所示的電壓檢測環節中,采樣電網電壓、計算相角和幅值,并將幅值做濾波防抖和施密特觸發處理。結合飛輪轉速以及電壓檢測結果生成充放電指令,控制切換開關K和充放電控制策略。電壓鎖相角度實時輸入至控制策略,以作為輸出電壓的起始相角。

相角、幅值計算:利用鎖相環得到相角,對三相電壓的平方和進行開方可得到電網電壓幅值。

濾波防抖:設置窗口檢測,窗口時間為百微秒級別,旨在濾除高頻擾動電壓,防止誤觸發。

施密特觸發:設置施密特觸發器,當負載電壓跌落至UL_min時,觸發放電指令;當負載電壓恢復至高于UL_min某一水平時,設其為UL_min+Δu,觸發充電指令,防止UPS在UL_min附近反復切換。

2.1.2 工作轉速范圍設定

在上電初始化時電機以恒轉矩方式升速至ωmin,而后以恒功率方式充電至ωmax。放電時,UPS系統在網側輸出穩定電壓為負載供電,輸出功率取決于負載。本文采用id=0的控制方式在工作轉速范圍內進行充放電控制,不僅能夠降低銅損,提高運行效率,而且容易實現。

飛輪ωmin設定條件有兩個:一是ωmin要盡量小,以盡可能多的釋放能量;二是UPS輸出有功功率要滿足負載有功需求。

設負載有功功率為PL,電機電磁轉矩為Te,則有

(1)

式中,Pn為電機極對數;ψfm為轉子磁鏈幅值;iq為交軸電流。設機側變流器額定額定電流為In,則有

(2)

綜合和(2),可得最小工作轉速為

(3)

電機升速時,最高轉速設定條件有兩個:一是電機端電壓等于機側變流器最大線性調制輸出的線電壓,二是電機輸出有功功率滿足負載有功需求。

在id=0控制中,機端電壓可表示為

(4)

式中,Ra為相繞組電阻;Lq為交軸繞組自感。

本文采用空間矢量調制方法,變流器輸出線電壓幅值最大為母線電壓Udc。因此可建立方程

(5)

根據輸出功率條件,即在最高轉速時電機輸出有功功率等于負載有功功率,可建立方程

(6)

聯立和(6),可得

(7)

最大工作轉速取兩個解中較大值,其中

(8)

2.2 充電控制

在電網電壓正常時,UPS充電或者待機,飛輪處于升速或浮充狀態,此時機側變流器用于控制電機轉速,從某一速度升高至ωmax,所需有功功率從直流母線獲??;網側變流器用于從電網獲取有功功率來穩定母線電壓。機側控制和網側控制回路均為雙閉環,控制框圖如圖5所示。

(a)機側控制

(b)網側控制

圖5   充電控制框圖

在機側控制中,采用id=0的控制方式,電流iq決定了電機的運行狀態。在充電時,電機給定轉速為ω_ref = ωmax。為了實現恒轉矩與恒功率控制,在轉速控制器輸出側對電流進行限幅。恒轉矩升速時,以機側額定電流進行充電;恒功率升速時,以負載最大有功功率進行充電,因此限幅函數為

(9)

在網側控制中,將并網電流進行坐標變換,得到d-q軸下的有功和無功分量,母線電壓控制器輸出作為有功電流給定,從電網吸收有功功率為飛輪升速。在充電過程中,為使UPS系統功率因數為1,令無功電流給定為Iq_ref = 0。2.3 放電控制

當電網電壓跌落至UL_min時,UPS系統代替電網為負載供電。網側變流器在負載電壓跌落前的相角基礎上輸出三相平衡電壓,機側變流器用于穩定母線電壓,控制回路如圖6所示。

(a)機側控制

(b)網側控制

圖6   放電控制框圖

在機側控制中,設置母線電壓控制為外環,內環是d-q軸電流控制,同樣采用id=0的控制方式。在網側輸出正弦電壓控制中,不太適合采用PI控制方法,原因在于:若直接在a-b-c坐標系下進行跟蹤控制,則會存在跟蹤靜差;若將電壓變換到d-q坐標系下進行控制,若負載出現三相不平衡,則會產生負序電壓分量,此時還需要將正負序分量進行解耦并做單獨控制,計算比較復雜。

PR控制方法在指定頻率處具有無窮大增益,在其他頻域增益較小,因此可以完全無靜差地跟蹤指定正弦電壓,但是無窮大的增益會產生系統不穩定問題。準PR方法在指定頻率處的有較大增益,足夠實現較小的靜態誤差跟蹤。因此,本文提出在a-b-c坐標系下采用準PR控制方法實現正弦電壓輸出,其傳遞函數為

(10)

式中,Kp為比例增益;ωc為控制器帶寬;Kr為諧振頻率處增益;ω0為諧振頻率,此處為50 Hz。為使準PR控制器發揮良好的跟蹤性能,需要合理調節前三個參數:Kp用以提高快速性能,在斷電瞬間迅速做出反應;ωc用以限制頻率調節范圍,此處設置為40~50 Hz;Kr用以提高快速性能以及穩態性能,其越大穩態誤差越小,但同時穩定性變差。本文針對輸出工頻電壓控制,設計準PR控制器參數分別為:Kp=9,ωc=1,Kr=500,傳遞函數的波特圖如圖7所示。從幅頻特性看,在40~60 Hz頻域內,系統增益較大,在50 Hz處達到極點,在此頻域范圍外,增益比較小,這有利于減小穩態誤差和提高抗干擾能力。

圖7   準PR控制傳遞函數波特圖

3 仿真分析

利用Simulink搭建后備式飛輪儲能UPS系統模型,電網電壓跌落后,UPS分別為線性平衡負載、線性不平衡負載以及非線性負載供電,以驗證UPS快速響應能力以及帶載能力。仿真中,準PR控制采用上一節中設計的參數,電網和負載參數如表1所示,仿真流程如表2所示。

表1   電網與負載參數

表2   仿真流程    

3.1 線性平衡負載仿真

負載為三相對稱電阻,均為0.48 Ω,功率為300 kW,仿真結果如圖8所示。在電網電壓跌落后,負載電壓在6 ms內恢復到了跌落前的0.9 p.u.,而且前后的相位保持不變;對UPS輸出電壓進行諧波分析,如圖8(c),THD值為1.73%。以上結果證明了準PR方法在UPS輸出電壓暫態性和穩態性方面的良好作用。

圖8   UPS為線性平衡負載供電仿真結果

仿真過程中,飛輪工作在設定轉速范圍內,并以恒功率的方式進行充電和放電;電機電流正弦且光滑,諧波較??;母線電壓保持穩定,最大波動幅值小于3%。這驗證了充放電控制方法的有效性。

3.2 不平衡線性負載和非線性負載仿真

為了驗證本文提出的UPS能夠適用于多種負載場合,將上一節中的平衡負載先后更換為不平衡負載和非線性負載,功率均為200 kW。

圖9(a)和(c)為不平衡負載下的仿真結果,三相平衡電阻在t=0.15時刻發生跳變,c相阻值突增為1.44 Ω,a、b相阻值保持0.48 Ω不變。從結果可以看出,UPS輸出功率產生波動,電流不平衡,但輸出電壓保持三相對稱,a、b、c三相電壓有效值分別為218 V、218 V和219 V,THD為1.06%,這說明UPS具有良好的帶不平衡負載能力。

圖 9   UPS分別為不平衡線性負載和非線性負載供電仿真結果

圖9(b)和(d)為非線性負載下的仿真結果,負載為三相不控整流電路,其直流側接1.46 Ω電阻。從結果可以看出,UPS輸出功率和電流波動頻率高且不正弦,這是由負載非線性造成的;負載電壓在電網供電與UPS供電兩種情況下波形基本沒有差別,UPS輸出電壓波形THD為6.43%,諧波主要集中在基頻的5次和7次,這說明UPS具有良好的帶非線性負載能力。

4 實驗驗證

為了進一步驗證本文提出的UPS具有快速響應能力以及良好的電壓輸出能力,采用額定容量300 kW的飛輪儲能UPS進行實驗,其參數如表3所示。由于條件限制,本次實驗只針對三相平衡負載。

表3   實驗樣機參數

4.1 以額定功率放電實驗

由于電源功率限制,電網先為UPS充電,然后再投入負載。UPS工作轉速為3000~6000 r/min,在3000 r/min以下以恒轉矩升速,在工作轉速范圍以100 kW恒功率充電,以300 kW額定功率放電。負載為兩個額定功率分別是200 kW和100 kW的電阻箱,分兩次投入。

電網為300 kW負載穩定供電之后,手動拉閘以模擬斷電工況,隨后UPS立即為負載供電,實驗結果如圖10所示。由于飛輪腔體未做真空處理,UPS待機浮充時空氣損耗約為20 kW。

圖10   UPS為300 kW負載供電實驗結果

從實驗結果可以看出,UPS在電網斷電以后迅速為負載供電,經過15 ms負載電壓恢復至原來的0.9 p.u.,其相位和幅值基本沒有跳變,THD值為1.74%,諧波主要集中在低次頻段。UPS放電功率為289 kW,持續時間約為20 s,在這期間,母線電壓波動很小,飛輪轉速比較平穩。以上結果表明UPS具有良好的放電性能,證明了準PR方法在后備式UPS輸出正弦電壓控制中的有效性。

4.2 UPS頻繁充放電實驗

在UPS充滿電后,頻繁手動拉閘與合閘電網,以檢驗UPS應對電網連續故障的性能。實驗中設定UPS充電功率為85 kW,負載功率為50 kW,每次電網恢復到額定值后,經過2.5 s飛輪開始充電。實驗結果如圖11所示。由于控制柜轉換開關處有漏壓,導致圖11(a)中網側電壓拉閘后電壓不為0。

圖11   UPS為頻繁充放電實驗結果

從圖11(a)看出,UPS能夠及時應對電網頻繁故障,負載電壓基本不受電網斷電影響。由于負載功率降低至50 kW,負載電壓恢復時間縮短至8 ms。以上結果表明UPS具有良好的快速響應性能,進一步證明了準PR方法的有效性以及飛輪充放電控制策略的有效性。

3 結 論

飛輪儲能較蓄電池儲能具有效率高、維護成本低和無污染等優勢,在UPS中應用前景廣泛。本文提出了一種基于準PR控制方法的飛輪儲能UPS系統,該系統利用可控硅作為電網與UPS供電的轉換開關,將準PR輸出電壓控制與網側和機側的飛輪矢量控制相結合,保留了傳統后備式UPS結構簡單、效率高的優點,克服了其響應慢的缺點。仿真和實驗結果表明,基于準PR控制的UPS系統具有良好的暫態和穩態性能。

引用本文: 呂靜亮,姜新建,張信真等.基于準PR控制的飛輪儲能UPS系統[J].儲能科學與技術,2020,09(03):901-909.

LYU Jingliang,JIANG Xinjian,ZHANG Xinzhen,et al.A FESS UPS based on quasi-PR control method[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(03):901-909.

第一作者:呂靜亮(1988—),男,博士,從事飛輪儲能研究,E-mail:[email protected];

通訊作者:姜新建,副教授,研究方向為飛輪儲能及電機拖動,E-mail:[email protected] tsinghua.edu.cn。

關鍵字:飛輪儲能

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