逆變器在分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的無(wú)功控制應(yīng)用

王延海，王諾

(山東省電力集團(tuán)公司，山東 棗莊 277000)

1 引言

目前，集中發(fā)電，遠(yuǎn)距離輸電和大電網(wǎng)互聯(lián)的電力系統(tǒng)是電能生產(chǎn)、輸送和分配的主要方式。容量越來(lái)越大的電網(wǎng)雖有其優(yōu)點(diǎn)，但它也存在一些弊端，主要有:(1)不能靈活跟蹤負(fù)荷的變化;(2)局部事故極易擴(kuò)散。

基于以上的問(wèn)題，分布式發(fā)電這種環(huán)保、高效、靈活的發(fā)電方式已經(jīng)成為21世紀(jì)電力系統(tǒng)重要的研究方向，分布式電源與區(qū)域電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)展趨勢(shì)也越來(lái)越明顯。分布式電源并網(wǎng)是指分布式發(fā)電(distributed generation，DG)與區(qū)域電網(wǎng)建立相應(yīng)的物理連接。在并網(wǎng)技術(shù)中，逆變接口逆變電路及其控制是核心，目前工業(yè)應(yīng)用最廣泛的還是數(shù)字P I控制。

本文研究了分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的無(wú)功控制策略。主要利用三相電壓型并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)有功，無(wú)功獨(dú)立調(diào)節(jié)的要求，提出了采用同步PI電流控制的控制方案，在此方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真。

2 并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于三相電壓型PWM逆變器dq模型，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般采用雙環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)的作用主要是控制逆變器直流側(cè)電壓，而電流內(nèi)環(huán)的作用主要是按電壓外環(huán)的輸出的電流指令進(jìn)行電流控制。因?yàn)槲覀円獙?shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功分量的獨(dú)立控制，通常選取q軸與電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量E重合，這樣q軸表示無(wú)功分量參考值，d軸表示有功分量參考值。

2.1 同步PI電流控制

同步PI電流控制原理框圖見(jiàn)圖1。

圖1 同步PI電流控制原理框圖

電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)正弦波電流控制，由于采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制結(jié)構(gòu)，三相對(duì)稱的交流電網(wǎng)電壓和交流電流變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中成為直流量，因此電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功分量的獨(dú)立控制，將電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)的空間矢量與q軸定向，則:

式中，Em為電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)峰值。

三相電壓型逆變器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為:

相應(yīng)的，系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率可以表示為:

q軸電流表示有功電流分量，d軸電流為無(wú)功電流分量。另一方面，從數(shù)學(xué)模型可以看到，dq軸存在著相互耦合關(guān)系，給控制器設(shè)計(jì)造成一定困難。采用前饋解耦控制策略，可以實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功電流，即三相網(wǎng)側(cè)有功、無(wú)功分量的獨(dú)立調(diào)節(jié)。電流dq軸分別經(jīng)過(guò)各自的PI調(diào)節(jié)器以及前饋解耦控制產(chǎn)生三相橋臂中點(diǎn)電壓vd，vq，該電壓變換到兩相靜止坐標(biāo)系下，經(jīng)過(guò)SVPWM調(diào)制后輸出脈沖驅(qū)動(dòng)整流橋各開(kāi)關(guān)。

q軸電流表示有功電流分量，因此直流電壓PI調(diào)節(jié)器輸出作為電流內(nèi)環(huán)的有功電流給定，控制整流器交直流兩側(cè)的有功能量的傳遞;無(wú)功電流給定可以直接作為系統(tǒng)無(wú)功給定輸入，也可以采用無(wú)功功率給定q*，通過(guò)系數(shù)變換1/eq傳遞給無(wú)功電流給定。

同步PI電流控制優(yōu)點(diǎn)明顯:采用同步坐標(biāo)系下控制，可實(shí)現(xiàn)有功/無(wú)功電流解耦控制，有功/無(wú)功功率獨(dú)立調(diào)節(jié);采用PI調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)節(jié)，能夠獲得較好的動(dòng)靜態(tài)特性;開(kāi)關(guān)頻率固定等。

2.2 電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因?yàn)殡妷涵h(huán)主要考慮提高對(duì)負(fù)載的抗擾能力，所以按II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為減少超調(diào)，可以對(duì)給定電壓加濾波環(huán)節(jié)或者采用斜坡給定，使電壓給定變化緩慢得以解決。

當(dāng)電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量定位在q軸方向時(shí)，eq=Em，ed=0。假設(shè)三相電流對(duì)稱，則三相交流電感上的瞬時(shí)功率為零，得到直流電壓和交流電流的關(guān)系表達(dá)式為:

進(jìn)一步變換為:

由于eq和vdc的值變化不大，因此可以將3eq/2vdc用常數(shù)K表示。不考慮負(fù)載擾動(dòng)，有功電流和直流電壓的傳遞函數(shù)表達(dá)式為:

令PI調(diào)節(jié)器控制方程:

圖2 電壓環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

得到電壓開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù):

按照典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有

2.3 電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

令vq=vdcsq，vd=vdcsd，則兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d－q)中的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)為:

式中，ed、eq為電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量E?的d，q分量;vd、vq為交流側(cè)電壓矢量的d，q分量;id、iq為交流側(cè)電流矢量的d，q分量。

可以看到該數(shù)學(xué)模型是一個(gè)強(qiáng)耦合系統(tǒng)，即d軸電流的變化對(duì)q軸電流有影響，而q軸電流的變化對(duì)d軸電流也有影響。為了消除d、q軸電流之間的耦合項(xiàng)，同步PI電流控制中常采用前饋解耦控制策略，電流環(huán)調(diào)節(jié)器采用比例積分調(diào)節(jié)器，控制方程如下:

dq軸電流得到解耦:

上式說(shuō)明前饋的控制算法使三相電壓型逆變器電流內(nèi)環(huán)iq、id實(shí)現(xiàn)了解耦控制。由于電流內(nèi)環(huán)的對(duì)稱性，下面以id為例研究電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。考慮電流內(nèi)環(huán)信號(hào)采樣的延遲和PWM控制的小慣性特性，已解耦的id電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 d軸無(wú)功電流環(huán)結(jié)構(gòu)

使PI調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)抵消電流控制對(duì)象傳遞函數(shù)的極點(diǎn)，即τi=L/R，從而得到電流開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù):

圖4 d軸無(wú)功電流環(huán)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

按典型 I型系統(tǒng)參數(shù)整定關(guān)系，取阻尼比為0.707，得:

求解得到PI參數(shù):

電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率足夠高，即Ts足夠小時(shí)，由于s2項(xiàng)系數(shù)遠(yuǎn)小于s系數(shù)，因此s2項(xiàng)可以忽略，則Wci可簡(jiǎn)化成

電流內(nèi)環(huán)簡(jiǎn)化等效傳遞函數(shù)為:

另一種情況，即當(dāng)ωL＞＞R時(shí)，可令(1/R)/［(L/R)s+1］≈1/(Ls)，電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 d軸無(wú)功電流環(huán)結(jié)構(gòu)

電流開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:

按典型I型設(shè)計(jì)時(shí)，與電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器中零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)τi和典型I型系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)1.5T相比，其比值過(guò)大，所以電流內(nèi)環(huán)抗干擾性不理想。但由于使用前饋控制，擾動(dòng)得到改善。II型系統(tǒng)抗擾性較好，但跟隨會(huì)有大的超調(diào)。從計(jì)算參數(shù)結(jié)果上看兩者沒(méi)有大的差異，因此，在實(shí)際調(diào)試時(shí)應(yīng)綜合考慮取得最佳的參數(shù)值。

3 仿真及結(jié)論

本文采用的仿真參數(shù)如下:

圖6為整流器系統(tǒng)工作在1kW有功功率下，調(diào)節(jié)無(wú)功功率給定得到的交流電壓電流、直流電壓和有功無(wú)功功率的仿真波形。系統(tǒng)在0.1s時(shí)刻吸收500var感性無(wú)功功率;在0.2s時(shí)刻無(wú)功功率為零;在0.3s時(shí)刻發(fā)出500var容性無(wú)功功率。整個(gè)過(guò)程中交流電流、直流電壓和有功功率在無(wú)功調(diào)節(jié)過(guò)程中波動(dòng)變化不大，響應(yīng)速度也很快。

圖6 仿真波形

由仿真波形可以看出，使用三相電壓型并網(wǎng)逆變器可對(duì)有功和無(wú)功進(jìn)行獨(dú)立控制，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無(wú)功功率，對(duì)直流電壓、有功功率及交流電流波形影響較小，并能快速恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

［1］程明.新能源與分布式電源系統(tǒng)(上)［J］.電力需求側(cè)管理，2003，3:44 －46.

［2］莫穎濤，吳為麟.分布式發(fā)電的研究方向［J］.熱力發(fā)電，2006(5).

［3］王志群，朱守真，周雙喜.分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004(08).

［4］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京.機(jī)械工業(yè)出版社，1992:56－76.