《限電模式下一種新型光伏并網(wǎng)逆變器控制策略》

1、限電模式下一種新型光伏并網(wǎng)逆變器控制策略摘 要: 在光伏發(fā)電中，特別是大西北地區(qū)集中式光伏電站，由于電網(wǎng)消納等原因，光伏電站經(jīng)常被限電，這也導(dǎo)致大量的電能浪費(fèi)，和經(jīng)濟(jì)的損失。本文針對(duì)三相逆變器在并網(wǎng)運(yùn)行和孤網(wǎng)運(yùn)行下的特點(diǎn)采用儲(chǔ)能機(jī)，并且分別采用電流控制策略和電壓控制策略，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的仿真模型，并對(duì)其控制性能進(jìn)行了仿真研究。關(guān)鍵詞: 光伏發(fā)電；儲(chǔ)能逆變器；并網(wǎng)；孤網(wǎng)；雙模式 Abstract: in the photovoltaic power generation, especially in the northwestern region of centralized power consu

2、mptive photovoltaic power plants, due to other reasons, power is often limited power, which also led to a large number of electric energy waste and economic losses. According to the characteristics of energy storage machine adopts three-phase inverter in grid connected and islanded operation under,

3、and respectively by the current the control strategy and voltage control strategy, design the corresponding simulation model, and its control performance is simulated.Key words: photovoltaic power generation; energy storage inverter; grid; isolated network; dual mode1 引言 隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，傳統(tǒng)能源需求迅速增長，而一味地?cái)U(kuò)大電網(wǎng)規(guī)模

4、顯然并不能滿足對(duì)電能的要求。因此包括基于風(fēng)電、光伏等可再生能源及電池儲(chǔ)能技術(shù)1的發(fā)電技術(shù)正在快速發(fā)展。而逆變器作為分布式發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件已成為研究焦點(diǎn)。目前的逆變器大多數(shù)都是單功能逆變器，或作并網(wǎng)運(yùn)行，將電能供給遠(yuǎn)程負(fù)載使用。或作微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)本地負(fù)載的不間斷供電1。本文所研究的儲(chǔ)能逆變器是一類適合智能電網(wǎng)建設(shè)，應(yīng)用在儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，基于空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM方式控制，以雙向逆變?yōu)榛咎攸c(diǎn)，并可并網(wǎng)/孤網(wǎng)雙模式運(yùn)行的三相變流器2。當(dāng)電網(wǎng)電力比較充足，且此時(shí)用電處于低谷的時(shí)候，變流器工作在整流狀態(tài)，通過電網(wǎng)向儲(chǔ)能電池充電，將電能儲(chǔ)存起來；當(dāng)電網(wǎng)電力缺乏，處于用電高峰的時(shí)候，雙向變

5、流器工作在逆變狀態(tài)，將電能從儲(chǔ)能電池反饋給大電網(wǎng)，此時(shí)逆變器相對(duì)于電網(wǎng)來說作為一個(gè)電流源。而當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障，使微電網(wǎng)處于孤網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，其能在微網(wǎng)中起到應(yīng)急獨(dú)立逆變作用，此時(shí)儲(chǔ)能逆變器要能充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)電源，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)微電網(wǎng)的電壓和頻率，此時(shí)控制的關(guān)注點(diǎn)是輸出電壓波形質(zhì)量，此時(shí)儲(chǔ)能逆變器相于微電網(wǎng)來說作為一個(gè)電壓源。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及基本原理 本文所研究的三相三線逆變器結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由蓄電池，三相逆變橋，三相LC濾波器，工頻變壓器和并網(wǎng)開關(guān)組成。其中AC-DC部分采用三相半橋電壓型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由6個(gè)IBGT模塊構(gòu)成，其應(yīng)用廣泛，可靠性高。控制方式采用SVPWM，直流電壓利用率(即逆變器輸出電壓

6、基波線電壓有效值與直流側(cè)電壓比值最大可達(dá)0.707，比采用SPWM控制方式高出15%。由于采用SVPWM控制方式時(shí)輸出電壓具有一定的較高次諧波，因此要由三相LC濾波器將主要的諧波濾除。輸出變壓器連接成/Y無中線方式，并認(rèn)為輸出匝比為1，可阻止逆變橋輸出PWM脈沖電壓中所含的3倍頻諧波這樣的零序分量傳輸?shù)捷敵龆?，并可?shí)現(xiàn)與電網(wǎng)及負(fù)載的電氣隔離。并網(wǎng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和逆變器的連接和斷開。圖1 儲(chǔ)能逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3 三相SVPWM數(shù)學(xué)模型分析在逆變器建模時(shí)，將負(fù)載處理為外部擾動(dòng)輸入量，這樣建立一個(gè)形式簡單而又嚴(yán)格成立的線性模型。利用坐標(biāo)系變換，得到三相無中線逆變器在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下變量的表達(dá)式為：

7、根據(jù)式（1）得到三相無中線逆變器在dq坐標(biāo)系下的模型如圖2所示。從圖2中可以看出在dq坐標(biāo)系下，q軸的輸出電壓以及電感電流分量耦合到d軸上，而d軸的輸出電壓以及電感電流分量耦合到q軸上，即dq坐標(biāo)系下的三相逆變器數(shù)學(xué)模型是一個(gè)兩輸入兩輸出的耦合系統(tǒng)。而d軸和q軸間的耦合會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，因此，如果控制系統(tǒng)中包含這些擾動(dòng)量，則可以消除它們的影響。4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)儲(chǔ)能逆變器在并網(wǎng)和孤網(wǎng)環(huán)境下工作時(shí)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)兩種控制模式：電流控制模式和電壓控制模式3，分別用于并網(wǎng)和孤網(wǎng)控制?？刂瓶傮w框圖如圖3所示，開關(guān)K用于兩種模式間的切換。對(duì)于一般的恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，只要控制器中含有積分環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)就是

8、無靜差系統(tǒng)，經(jīng)過調(diào)節(jié)總可以達(dá)到輸出等于給定，因此電流控制和電壓控制都采用PI調(diào)節(jié)器。圖3 逆變控制結(jié)構(gòu)圖4.1并網(wǎng)電流控制模式并入大電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)系統(tǒng)可視為容量無窮大的定值交流電壓源，輸出的電壓被電網(wǎng)電壓箝位而不可控，常采用電流或功率控制方式。又因直流母線電壓由蓄電池提供，不會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)，因此采用直接電流單環(huán)控制方式，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。由給定功率和網(wǎng)側(cè)電壓經(jīng)過運(yùn)算求出交流側(cè)電流指令信號(hào)，再引入交流側(cè)電流反饋，通過對(duì)交流側(cè)電流的直接控制使其跟蹤指令電流值。經(jīng)dq變換后的控制框圖如圖5所示，其中對(duì)耦合項(xiàng)，采用前饋解耦方法，解耦后可將d軸和q軸等效成兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，虛線框內(nèi)為逆變器數(shù)學(xué)模型

9、。此控制方式能有效地跟蹤負(fù)載電流的變化，具有動(dòng)態(tài)性能好，電流控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。4圖4 三相逆變器并網(wǎng)運(yùn)行dq控制框圖4.2孤網(wǎng)電壓控制模式孤網(wǎng)控制時(shí)，逆變器作為主力供電機(jī)組為負(fù)載提供電能，等效為一個(gè)電壓源運(yùn)行。輸出電壓波形質(zhì)量是逆變器關(guān)注的最重要指標(biāo)，為了達(dá)到高質(zhì)量的電壓波形，本文采用輸出電壓瞬時(shí)值反饋控制方式，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。對(duì)于三相逆變器輸出電壓對(duì)稱的情況下，經(jīng)過三相坐標(biāo)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換之后，dq模型中的三相逆變器的q軸分量為一常量，而d軸分量為零，因此，三相逆變器在dq坐標(biāo)系下的控制系統(tǒng)中q軸給定量為電網(wǎng)相電壓幅值，d軸給定值為零。對(duì)dq軸中的耦合項(xiàng)采用前饋解耦方式，如圖5所示

10、，當(dāng)三相逆變電源的擾動(dòng)為基波擾動(dòng)時(shí)，如非線性負(fù)載，采用電壓瞬時(shí)值控制可以快速抑制負(fù)載擾動(dòng)引起的輸出電壓變化。圖5 三相逆變器孤網(wǎng)運(yùn)行dq控制框圖4.3切換過程研究當(dāng)出現(xiàn)大電網(wǎng)故障而使得微電網(wǎng)獨(dú)立，或微電網(wǎng)需重新并網(wǎng)等情況時(shí)，為保證能為重要負(fù)載提供持續(xù)交流電能，要求逆變器運(yùn)行時(shí)能在兩種控制模式間進(jìn)行切換。5而在切換過程中，可能出現(xiàn)較大的電壓電流沖擊，這對(duì)電網(wǎng)和逆變器都是不利的，因此為減小控制器結(jié)構(gòu)變化時(shí)對(duì)輸出性能的影響，本文研究了一種平滑的切換方案。(1 從孤網(wǎng)到并網(wǎng)切換的算法并網(wǎng)后輸出端電壓為電網(wǎng)電壓，因此孤網(wǎng)控制模式時(shí)輸出的端電壓需調(diào)整至和電網(wǎng)電壓一致才能并網(wǎng)，否則會(huì)出現(xiàn)逆變器輸出電壓的幅值

11、或相位與電網(wǎng)不一致，從而對(duì)微電網(wǎng)產(chǎn)生電壓和電流沖擊。從孤網(wǎng)模式到并網(wǎng)模式的切換過程如圖6（a）所示(a 孤網(wǎng)至并網(wǎng)切換(b 并網(wǎng)至孤網(wǎng)切換圖6 并網(wǎng)與孤網(wǎng)間切換邏輯(2從并網(wǎng)到孤網(wǎng)切換的算法并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)微電網(wǎng)檢測(cè)到大電網(wǎng)出現(xiàn)故障而斷開與之的連接，為保證微電網(wǎng)供電的連續(xù)性，逆變器需立即切換至電壓控制模式，作為主力供電機(jī)組為負(fù)載提供電能。這種切換不受人為控制，且切換時(shí)刻隨機(jī)性較大。因此為了保證負(fù)載上的電壓電流的連續(xù)性，在從電流控制模式切換至電壓控制模式時(shí)，要使輸出電壓延續(xù)斷網(wǎng)前的相位和幅值，否則在切換瞬間將會(huì)出現(xiàn)電壓電流的突變，而負(fù)載電壓的突變對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響非常大，會(huì)造成關(guān)鍵負(fù)載不中斷供電功能

12、不能實(shí)現(xiàn)。6為保證平滑切換，從并網(wǎng)到孤網(wǎng)的切換過程如圖6(b所示。5 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果本文在Matlab/simulin10軟件平臺(tái)中對(duì)三相逆變器在并網(wǎng)模式和孤網(wǎng)模式下的控制策略進(jìn)行了仿真。電網(wǎng)設(shè)定頻率50Hz，線電壓380V；直流母線電壓600V，系統(tǒng)開關(guān)頻率10kHz，濾波電感值為1.3mH，內(nèi)阻為0.01，電感值為120uF，額定輸出功率50kW。5.1并網(wǎng)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)定逆變器處于并網(wǎng)直接電流控制模式，在運(yùn)行中使設(shè)定輸出功率由15kW突變?yōu)?0kW時(shí)的a相電壓電流波形如圖7所示。圖7 a相輸出電壓電流波形由電壓電流波形可以看出電流能夠很好的跟蹤電壓，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變。當(dāng)參考指定功率變

13、化時(shí)，逆變系統(tǒng)能夠快速地調(diào)節(jié)功率輸出，快速跟蹤指定功率的變化，暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間較短，響應(yīng)基本平穩(wěn)。 5.2孤網(wǎng)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 設(shè)定逆變器處于孤網(wǎng)瞬時(shí)電壓控制模式，在運(yùn)行中使負(fù)載功率由15kW突變?yōu)?0kW時(shí)的a相電壓電流波形如圖8所示。圖8 a相輸出電壓電流波形可以看出，當(dāng)突加負(fù)載后，電壓波形有微小畸變，但經(jīng)過0.005s的調(diào)整之后就恢復(fù)正常，輸出電流也能平滑上升。說明逆變系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)負(fù)荷功率變化，在負(fù)荷突變的情況下維持負(fù)荷電壓和頻率的穩(wěn)定。 5.3切換過程仿真結(jié)果 在由孤網(wǎng)電壓控制模式切換至并網(wǎng)電流控制模式時(shí)，若切換前輸出電壓和大電網(wǎng)存在相位差，則切換時(shí)會(huì)出現(xiàn)如圖9(a所示電壓突變情況。若切

14、換前能調(diào)整至與大電壓一致，則切換點(diǎn)能平滑銜接,如圖9(b所示。(a 未同步切換時(shí)三相負(fù)載電壓(b 同步后切換時(shí)三相負(fù)載電壓圖9 孤網(wǎng)/并網(wǎng)切換時(shí)三相電壓波形在由并網(wǎng)電流控制模式切換至孤網(wǎng)電壓控制模式時(shí)，若切換后輸出電壓相位和切換前有較大差距，則負(fù)載電壓會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，如圖10(a所示。則按本文所提出的切換方式改進(jìn)后，仿真出的波形如圖10(b所示，可以看出，切換點(diǎn)輸出電壓能平滑銜接，未出現(xiàn)電壓突變情況。(a 未同步切換時(shí)三相負(fù)載電壓(b 同步后切換時(shí)三相負(fù)載電壓圖10 并網(wǎng)/孤網(wǎng)切換時(shí)三相電壓波形6 結(jié)束語本文分析了儲(chǔ)能逆變器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，針對(duì)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行和孤網(wǎng)運(yùn)行的兩種模式，分別研究了直接電流

15、控制策略和瞬時(shí)電壓控制策略，設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的控制系統(tǒng)；并為實(shí)現(xiàn)兩種模式間的平滑切換提出了相應(yīng)的算法。最后在Matlab/Simulink仿真軟件中對(duì)兩種運(yùn)行模式及切換算法進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果表明：在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，并網(wǎng)逆變系統(tǒng)能夠快速跟蹤指定功率，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的電流解耦控制；在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，逆變器能夠快速響應(yīng)負(fù)荷功率的變化，維持負(fù)荷電壓未定，具有較好的負(fù)荷跟隨能力；在兩種運(yùn)行模式間切換時(shí)能減小電壓電流突變，平滑輸出波形曲線。參考文獻(xiàn):1。王贊，肖嵐，姚志壘，等并網(wǎng)獨(dú)立雙模式控制高性能逆變器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2011， 27(1:61 642。林旭成，楊蘋，呂茵基于 DSP 控制的雙模式逆變系統(tǒng)