氢燃料电池并入微电网的改进虚拟同步机控制
发布时间：2021-01-17 00:17
近年来,氢燃料电池等新能源并入微电网得到了人们广泛的关注。提出一种采用虚拟同步机技术的氢燃料电池发电系统。首先建立了氢燃料电池数学模型,分析了其电压输出特性和功率特性。在此基础上设计了两级变换器式并网控制系统。在虚拟同步机控制中,针对功率外环中一阶滤波器低频特性影响系统稳定性和动态性能的问题,在原有滤波器的基础上引入陷波滤波器进行优化补偿。最后,利用Matlab/Simulink进行仿真,对比优化前后滤波效果,并对网侧电压、电流总畸变（THD）进行仿真测试,验证了优化后的滤波器及控制系统的有效性和可行性。
【文章来源】：电力系统保护与控制. 2020,48(22)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
燃料电池堆输出特性曲线
徐靖，等氢燃料电池并入微电网的改进虚拟同步机控制-167-两级变换器式并网系统结构的拓扑图见图3，主要由氢燃料电池、两级DC/DC变换器、DC/AC变换器和LC滤波器组成，最终并入380V/50Hz的微电网中。VSG的原理是利用功率的双向流动来参与电网的调频调压，而氢燃料电池不存在双向性，故本文加入了辅助电源和双向DC/DC变换器，使VSG系统具有双向性。后级DC/AC变换器采用全桥电压式逆变器，控制核心是使逆变器的相序、频率和相位与并网的电网一致，为使并网系统更加稳定。图3两级变换器式并网系统拓扑结构Fig.3Topologystructureoftwo-stageconvertergrid-connectedsystem氢燃料电池输出电压较低且不稳定，DC/DC变换器需要提高并稳定输出电压，并具有输出电压纹波孝效率高、功率密度高和电磁干扰低等性能[16]。Boost电路具有良好的输出特性并且结构简单可靠，故其前级DC/DC变换器采用Boost升压变换器，使该电压满足后级的电压要求。但只采用一级DC/DC变换器会因为升压倍数过大(7~9倍)导致占空比D很大，使升压的电路稳定性受影响，故采用双级DC/DC变换器，在提高电压的同时，抑制输入电流纹波，并且起到阻断反向电流流入。其拓扑结构如图4所示。该拓扑结构先用Boost电路进行升压和稳定，因为氢燃料电池的只能使能量单行流动，之后采用隔离性变换器进行二次升压，使系统的稳定性和安全性得到保障。相比于半桥变换器，全桥变换器的图4升压电路拓扑结构Fig.4TopologicalstructureofBoostcircuit开关管工作时开关应力小，变压器磁芯使用效率高，并且其功率等级相同时流过开关管的电流小一半，这些均符合本文设计的电源电流和额定功率较大的特点
靠，故其前级DC/DC变换器采用Boost升压变换器，使该电压满足后级的电压要求。但只采用一级DC/DC变换器会因为升压倍数过大(7~9倍)导致占空比D很大，使升压的电路稳定性受影响，故采用双级DC/DC变换器，在提高电压的同时，抑制输入电流纹波，并且起到阻断反向电流流入。其拓扑结构如图4所示。该拓扑结构先用Boost电路进行升压和稳定，因为氢燃料电池的只能使能量单行流动，之后采用隔离性变换器进行二次升压，使系统的稳定性和安全性得到保障。相比于半桥变换器，全桥变换器的图4升压电路拓扑结构Fig.4TopologicalstructureofBoostcircuit开关管工作时开关应力小，变压器磁芯使用效率高，并且其功率等级相同时流过开关管的电流小一半，这些均符合本文设计的电源电流和额定功率较大的特点，因此选择采用全桥隔离型变换器进行二次升压。DC/AC电压型逆变器采用在直流侧并联大电容的方式进行储能，有利于控制系统与并网电网的稳定运行。2氢燃料电池并网控制2.1VSG控制技术氢燃料电池逆变器并网控制系统因输出电压与额定电压之间有静差，所以采用电压外环、电流内环的结构[19-20]，图5为VSG并网逆变器拓扑结构图。直流电压经过三相全桥逆变器及LC滤波器之后，利用功率计算模块、VSG控制模块及电压电流双闭环模块，产生对应的电压信号，通过PWM调制控制开关管导通和关断，从而使逆变器可以模拟同步发电机的运行特性。氢燃料电池作为直流电源只向电网提供有功功率，输出的无功功率为零，故控制直流母线电压Udc，即可实现对有功电流的控制。其中ux(x=a,b,c)为VSG的感应电动势；Ex(x=a,b,c)为VSG的三相输出电压；ix
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于虚拟同步发电机控制的分布式发电系统的阻抗边界分析[J]. 陈佳瑜,李征,张骞,蔡旭,熊坤. 电力系统保护与控制. 2019(21)
[2]独立微网中多虚拟同步机功率精确分配控制策略[J]. 袁健,杨伟. 电力系统保护与控制. 2019(04)
[3]基于多环虚拟同步发电机的功率控制[J]. 陈中颖,胡传意,黄明明. 广东电力. 2018(12)
[4]一种超宽阻带微带低通滤波器的设计[J]. 傅世强,张佳琦,房少军. 微波学报. 2018(05)
[5]改进下垂控制的并联逆变器小信号稳定性分析[J]. 廖丽,张昌华,段雪,刘倪. 电测与仪表. 2018(18)
[6]虚拟同步发电机的并网功率控制及模式平滑切换[J]. 颜湘武,贾焦心,王德胜,李正文,葛延峰. 电力系统自动化. 2018(09)
[7]改进型虚拟同步发电机控制策略[J]. 王超,武健,魏家昊,徐殿国. 广东电力. 2017(12)
[8]风电/制氢/燃料电池/超级电容器混合系统控制策略[J]. 蔡国伟,陈冲,孔令国,彭龙. 电工技术学报. 2017(17)
[9]三相四桥臂虚拟同步发电机预同步、多环路控制及负载不平衡控制方法[J]. 顾彬仕,王建华,骆芳芳,季振东,吕志鹏,顾伟,王涛. 电工技术学报. 2017(S1)
[10]燃料电池并网发电系统控制参数协调优化方法[J]. 韩莹,杨寒卿,张雪霞,李奇,陈维荣. 太阳能学报. 2017(06)
硕士论文
[1]基于虚拟磁链的微电网下垂控制策略研究[D]. 张佳.华北电力大学 2018
[2]基于虚拟同步发电机的质子交换膜燃料电池发电技术研究[D]. 蒋晨.电子科技大学 2016
本文编号：2981814
【文章来源】：电力系统保护与控制. 2020,48(22)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
燃料电池堆输出特性曲线
徐靖，等氢燃料电池并入微电网的改进虚拟同步机控制-167-两级变换器式并网系统结构的拓扑图见图3，主要由氢燃料电池、两级DC/DC变换器、DC/AC变换器和LC滤波器组成，最终并入380V/50Hz的微电网中。VSG的原理是利用功率的双向流动来参与电网的调频调压，而氢燃料电池不存在双向性，故本文加入了辅助电源和双向DC/DC变换器，使VSG系统具有双向性。后级DC/AC变换器采用全桥电压式逆变器，控制核心是使逆变器的相序、频率和相位与并网的电网一致，为使并网系统更加稳定。图3两级变换器式并网系统拓扑结构Fig.3Topologystructureoftwo-stageconvertergrid-connectedsystem氢燃料电池输出电压较低且不稳定，DC/DC变换器需要提高并稳定输出电压，并具有输出电压纹波孝效率高、功率密度高和电磁干扰低等性能[16]。Boost电路具有良好的输出特性并且结构简单可靠，故其前级DC/DC变换器采用Boost升压变换器，使该电压满足后级的电压要求。但只采用一级DC/DC变换器会因为升压倍数过大(7~9倍)导致占空比D很大，使升压的电路稳定性受影响，故采用双级DC/DC变换器，在提高电压的同时，抑制输入电流纹波，并且起到阻断反向电流流入。其拓扑结构如图4所示。该拓扑结构先用Boost电路进行升压和稳定，因为氢燃料电池的只能使能量单行流动，之后采用隔离性变换器进行二次升压，使系统的稳定性和安全性得到保障。相比于半桥变换器，全桥变换器的图4升压电路拓扑结构Fig.4TopologicalstructureofBoostcircuit开关管工作时开关应力小，变压器磁芯使用效率高，并且其功率等级相同时流过开关管的电流小一半，这些均符合本文设计的电源电流和额定功率较大的特点
靠，故其前级DC/DC变换器采用Boost升压变换器，使该电压满足后级的电压要求。但只采用一级DC/DC变换器会因为升压倍数过大(7~9倍)导致占空比D很大，使升压的电路稳定性受影响，故采用双级DC/DC变换器，在提高电压的同时，抑制输入电流纹波，并且起到阻断反向电流流入。其拓扑结构如图4所示。该拓扑结构先用Boost电路进行升压和稳定，因为氢燃料电池的只能使能量单行流动，之后采用隔离性变换器进行二次升压，使系统的稳定性和安全性得到保障。相比于半桥变换器，全桥变换器的图4升压电路拓扑结构Fig.4TopologicalstructureofBoostcircuit开关管工作时开关应力小，变压器磁芯使用效率高，并且其功率等级相同时流过开关管的电流小一半，这些均符合本文设计的电源电流和额定功率较大的特点，因此选择采用全桥隔离型变换器进行二次升压。DC/AC电压型逆变器采用在直流侧并联大电容的方式进行储能，有利于控制系统与并网电网的稳定运行。2氢燃料电池并网控制2.1VSG控制技术氢燃料电池逆变器并网控制系统因输出电压与额定电压之间有静差，所以采用电压外环、电流内环的结构[19-20]，图5为VSG并网逆变器拓扑结构图。直流电压经过三相全桥逆变器及LC滤波器之后，利用功率计算模块、VSG控制模块及电压电流双闭环模块，产生对应的电压信号，通过PWM调制控制开关管导通和关断，从而使逆变器可以模拟同步发电机的运行特性。氢燃料电池作为直流电源只向电网提供有功功率，输出的无功功率为零，故控制直流母线电压Udc，即可实现对有功电流的控制。其中ux(x=a,b,c)为VSG的感应电动势；Ex(x=a,b,c)为VSG的三相输出电压；ix
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于虚拟同步发电机控制的分布式发电系统的阻抗边界分析[J]. 陈佳瑜,李征,张骞,蔡旭,熊坤. 电力系统保护与控制. 2019(21)
[2]独立微网中多虚拟同步机功率精确分配控制策略[J]. 袁健,杨伟. 电力系统保护与控制. 2019(04)
[3]基于多环虚拟同步发电机的功率控制[J]. 陈中颖,胡传意,黄明明. 广东电力. 2018(12)
[4]一种超宽阻带微带低通滤波器的设计[J]. 傅世强,张佳琦,房少军. 微波学报. 2018(05)
[5]改进下垂控制的并联逆变器小信号稳定性分析[J]. 廖丽,张昌华,段雪,刘倪. 电测与仪表. 2018(18)
[6]虚拟同步发电机的并网功率控制及模式平滑切换[J]. 颜湘武,贾焦心,王德胜,李正文,葛延峰. 电力系统自动化. 2018(09)
[7]改进型虚拟同步发电机控制策略[J]. 王超,武健,魏家昊,徐殿国. 广东电力. 2017(12)
[8]风电/制氢/燃料电池/超级电容器混合系统控制策略[J]. 蔡国伟,陈冲,孔令国,彭龙. 电工技术学报. 2017(17)
[9]三相四桥臂虚拟同步发电机预同步、多环路控制及负载不平衡控制方法[J]. 顾彬仕,王建华,骆芳芳,季振东,吕志鹏,顾伟,王涛. 电工技术学报. 2017(S1)
[10]燃料电池并网发电系统控制参数协调优化方法[J]. 韩莹,杨寒卿,张雪霞,李奇,陈维荣. 太阳能学报. 2017(06)
硕士论文
[1]基于虚拟磁链的微电网下垂控制策略研究[D]. 张佳.华北电力大学 2018
[2]基于虚拟同步发电机的质子交换膜燃料电池发电技术研究[D]. 蒋晨.电子科技大学 2016
本文编号：2981814
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