基于功率電流雙環(huán)控制策略的分布式發(fā)電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)研究

基于功率電流雙環(huán)控制策略的分布式發(fā)電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)研究

1并網(wǎng)分布式電源數(shù)字控制系統(tǒng)隨著能源短缺現(xiàn)象的加劇，同時(shí)分布電源和區(qū)域電源的發(fā)展趨勢(shì)越來(lái)越明顯。分布式電源并網(wǎng)是指分布式發(fā)電(DistributedGeneration,DG）與區(qū)域電網(wǎng)建立相應(yīng)的物理連接。圖1所示為低壓配電網(wǎng)中逆變型分布式電源的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖,分布式發(fā)電裝置整流或直接產(chǎn)生直流電,通過(guò)逆變器接口和LG濾波器后,將直流電轉(zhuǎn)化為工頻交流電,并經(jīng)過(guò)并網(wǎng)隔離變壓器并入電網(wǎng)中的公共連接點(diǎn)(PCC)。在逆變電源中,逆變電路及其控制是核心。近年來(lái)數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展較為迅速,為高性能的逆變控制器提供了技術(shù)基礎(chǔ)。目前常用的幾種數(shù)字控制方法有數(shù)字PI控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、無(wú)差拍控制、重復(fù)控制以及模糊控制等。每一種數(shù)字控制方案都有其特點(diǎn),且存在某些缺陷,在分布式發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用也存在一些問(wèn)題。如數(shù)字PI控制的采樣和計(jì)算延時(shí)使被控系統(tǒng)成為一個(gè)具有純時(shí)間滯后的系統(tǒng),造成PI控制器穩(wěn)定性變差;滑?？刂剖馆敵霾ㄐ斡休^好的暫態(tài)響應(yīng),不足之處是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能不大好;魯棒性差是無(wú)差拍控制的缺陷;重復(fù)控制能使系統(tǒng)獲得很好的靜態(tài)性能,但卻不能夠獲得很好的動(dòng)態(tài)性能;模糊控制受硬件水平的限制,目前還不能得到很好的應(yīng)用。本文根據(jù)并網(wǎng)分布式電源的可控負(fù)荷外特性,設(shè)計(jì)了采用電流正弦PWM調(diào)節(jié)方法的聯(lián)網(wǎng)分布式電源電壓型逆變器的控制器。該控制器的核心采用含有數(shù)字軟件鎖相環(huán)的串級(jí)雙環(huán)PI控制結(jié)構(gòu),提高了控制精度,使分布式電源運(yùn)行過(guò)程中始終滿足同步并網(wǎng)的要求,仿真結(jié)果表明了其控制靈活,諧波注入較低的優(yōu)點(diǎn)。2中小型分布式電源并網(wǎng)保護(hù)面設(shè)計(jì)通常情況下,電力系統(tǒng)中的發(fā)電裝置運(yùn)行方式有三類:有功出力+電壓可調(diào)模式、有功出力+無(wú)功出力可調(diào)模式、恒功率模式。從配電網(wǎng)側(cè)認(rèn)為分布式發(fā)電的引入最好能具有像“負(fù)荷”一樣的特性,將分布式電源并入電網(wǎng)中最合適的方式是在電網(wǎng)無(wú)故障運(yùn)行時(shí)不停地向電網(wǎng)輸送有功。同時(shí),分布式電源也可以不輸送功率只與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行,在電網(wǎng)供電失敗時(shí)投入使用,提高系統(tǒng)的供電質(zhì)量。中小型分布式電源可采用恒功率擬負(fù)荷外特性方式進(jìn)行并網(wǎng),從而有效避免分布式電源直接參與電網(wǎng)饋線的電壓調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器的控制框圖如圖2所示。其包含三個(gè)控制環(huán):內(nèi)電流控制環(huán)、外功率控制環(huán)和鎖相控制環(huán)。全部的設(shè)計(jì)都在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行,因?yàn)樵谛D(zhuǎn)坐標(biāo)軸下都是對(duì)基頻段進(jìn)行控制,且有利于瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率的計(jì)算。2.1下一級(jí)的電流控制逆變系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)輸送的功率由等值電流源吸收,從而只需對(duì)電壓型逆變器進(jìn)行電流調(diào)節(jié)即可完成逆變器相應(yīng)功率控制的目標(biāo)。視應(yīng)用不同可以選用瞬時(shí)功率方法或平均功率方法參與調(diào)節(jié)。瞬時(shí)功率控制方法對(duì)高頻單元進(jìn)行控制來(lái)保證功率的穩(wěn)定,但輸出的電流質(zhì)量完全受電網(wǎng)電壓的影響,當(dāng)電網(wǎng)電壓受干擾時(shí),電流波形將會(huì)畸變。平均功率控制方法能提供高品質(zhì)的正弦輸出電流,以及進(jìn)行控制平均功率潮流,通過(guò)濾除電網(wǎng)中的高次諧波,為下一級(jí)的電流控制環(huán)提供電流參考值。從并網(wǎng)輸出電能質(zhì)量上考慮,瞬時(shí)功率控制方法不適合運(yùn)用到本系統(tǒng)中,故使用平均功率控制。平均功率控制在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的功率計(jì)算可以表示為在功率和電壓已知的情況下,可求得電流值通過(guò)式(1)、式(2)可以看出,輸出功率的偏差完全取決于輸出電壓的偏差,當(dāng)輸出功率P和Q以及輸出電壓為已知,可以精確地計(jì)算出下級(jí)PI控制器的參考電流值?；蛘咴诠β收{(diào)節(jié)中,根據(jù)Pref、Qref與P、Q之差進(jìn)行PI調(diào)節(jié),如圖3所示,產(chǎn)生Iref作為電流環(huán)的參考輸入。下級(jí)電流控制的目標(biāo)是控制輸出LC濾波器的電感電流,所以要在參考電流中加入電容電流和解耦部分。為了限制功率控制器的頻寬以及濾出輸出電壓和電流諧波部分,需加入低通濾波器。其截止頻率必須滿足功率環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求和抑制諧波和電壓不平衡等。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,采用PI控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié),目的是為了實(shí)現(xiàn)無(wú)差控制。2.2控制環(huán)工作原理對(duì)于并網(wǎng)逆變器來(lái)說(shuō),必須對(duì)輸出濾波器輸出電感上的電流進(jìn)行控制,從而使得逆變器輸出三相平衡電流。電流控制將消除逆變器的開(kāi)關(guān)和外部擾動(dòng)產(chǎn)生的非線性。功率控制外環(huán)作用產(chǎn)生內(nèi)電流環(huán)所需的電流參考值Iref,電流控制環(huán)采用PI控制器的目的是將電流參考值與實(shí)際反饋回控制器的電流信號(hào)作比較,并根據(jù)差量迅速進(jìn)行調(diào)節(jié),產(chǎn)生零穩(wěn)態(tài)誤差作用,從而可以補(bǔ)償非線性擾動(dòng)。在電流環(huán)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要進(jìn)行解耦操作,解耦后電流環(huán)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸下相互獨(dú)立。同時(shí),在電流環(huán)調(diào)節(jié)中,增加前饋控制可以減少電網(wǎng)電壓對(duì)控制系統(tǒng)的影響。電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)過(guò)程中,若電流控制誤差為零,逆變器的輸出電流根據(jù)功率環(huán)給出的參考值保持恒流電流調(diào)節(jié),從而保證了輸出電壓及時(shí)跟蹤導(dǎo)通參考波,使得輸出電流更接近正弦波,無(wú)直流或零序分量;也使得對(duì)三相負(fù)荷不平衡以及諧波不敏感,便于有功、無(wú)功控制,使分布式電源具有靈活運(yùn)行的能力。電流環(huán)的PI控制、解耦控制和前饋控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。2.3基于pi的電液并網(wǎng)鎖相環(huán)控制傳統(tǒng)工程上常采用如圖5所示的方法產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào),這種方法采用的過(guò)零比較在一個(gè)工頻周期只能進(jìn)行兩次,動(dòng)態(tài)性能較差。電壓跌落發(fā)生時(shí)一般會(huì)造成三相系統(tǒng)的不平衡,使輸入的電源電壓信號(hào)中含有負(fù)序、零序和諧波分量,從而不易準(zhǔn)確找出電壓波形的過(guò)零點(diǎn),鎖相精度受到影響。如圖6所示,通過(guò)軟件鎖相環(huán)的控制,可以在分布式電源運(yùn)行過(guò)程中始終滿足同步并網(wǎng)的要求。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,當(dāng)dq軸下的值保持恒定時(shí),則逆變器輸出的相位將會(huì)跟隨電網(wǎng)相位。正常的電網(wǎng)電壓波形經(jīng)派克變換后的q軸電壓為零,從而只要將q軸的電壓一直控制在零值,就可以達(dá)到軟件鎖相的效果。該方法在三相系統(tǒng)畸變或不平衡情況下優(yōu)勢(shì)比較明顯,因?yàn)樗窃诨l下進(jìn)行鎖相。為了達(dá)到動(dòng)態(tài)效果并消除誤差,將引入PI控制器。如圖6所示的線性化PLL模型,加入PI環(huán)節(jié)后閉環(huán)的傳遞函數(shù)式中,。阻尼系數(shù)ζ取0.707,截止頻率要取得比功率外環(huán)控制頻率低。3補(bǔ)償原理及仿真結(jié)果仿真算例采用簡(jiǎn)單的10kV配電網(wǎng)絡(luò)的分散型支路,如圖7所示。配電網(wǎng)的額定電壓為10kV,逆變器輸出的線電壓為1.2kV,經(jīng)過(guò)隔離變壓器的升壓并入公共節(jié)點(diǎn)PCC處,變壓器采用,Y0→△,升壓比為10kV/1.2kV,線路阻抗XL設(shè)為0.1Ω、2mH。在支路3上有1.5MW,500kvar的負(fù)荷,支路2上有2MW的負(fù)荷,支路1上有500kW,1Mvar的負(fù)荷,線路阻抗X1、X2,取為0.1Ω、1mH。并網(wǎng)逆變器的直流電壓選取2kV,由于分布式電源的功率較大,開(kāi)關(guān)頻率不可能選取得太高,這里選取用3kHz的開(kāi)關(guān)頻率,分布式發(fā)電裝置的參數(shù)如圖7所示。功率控制環(huán)采用平均功率控制,其PI控制參數(shù)為電流控制環(huán)的PI控制參數(shù)為軟件鎖相環(huán)的PI參數(shù)為輸出濾波器LC參數(shù)為隔離變壓器的參數(shù)為該模型在Simulink里的仿真步長(zhǎng)為50μs,并采用龍格-庫(kù)塔數(shù)字計(jì)算方法。在圖8中,輸出有功在0.05s時(shí)從0.8降為0.2,在0.15s時(shí)從0.2升到0.6,在0.25s時(shí)從0.6升到0.9,在0.35s時(shí)從0.9降為0.5。在圖9中,輸出無(wú)功在0.05s時(shí)從0.5升到0.8,在0.15s時(shí)從0.8降為0.3,在0.25s時(shí)從0.3降為0.1,在0.35s時(shí)從0.1升到0.5。從有功和無(wú)功響應(yīng)可知,逆變系統(tǒng)的功率輸出能很好地跟蹤指令功率,當(dāng)參考指令功率變化時(shí),控制系統(tǒng)能迅速調(diào)整逆變器的輸出功率,及時(shí)跟蹤指令功率,暫態(tài)響應(yīng)過(guò)程時(shí)間較短,響應(yīng)平穩(wěn)。從圖10和圖11可以很明顯地看出,電流環(huán)的調(diào)節(jié)速度高于功率環(huán)的調(diào)節(jié)速度,響應(yīng)時(shí)間較短,當(dāng)參考電流值變化時(shí),較快能進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行,暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間相當(dāng)短,基本上實(shí)現(xiàn)恒電流調(diào)節(jié)的目標(biāo)。在圖12中,并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的輸出電壓始終保持在電網(wǎng)的額定電壓,沒(méi)有參與饋線電壓的調(diào)節(jié)。從式(1)可以得知,當(dāng)電壓保持不變時(shí),輸出功率只與輸出電流有關(guān),當(dāng)輸出功率增大時(shí),電流值增大,當(dāng)輸出功率減小時(shí),電流值相應(yīng)減小,圖13證明了這一結(jié)論。采用直接電流控制的逆變系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量較高,圖14、圖15中,在0～0.05s之間,分布式電源穩(wěn)定時(shí)的三相輸出電壓和電流波形基本上是正弦。頻譜分析的結(jié)果可知,輸出電壓諧波很小,經(jīng)計(jì)算其THD值為2.