一種新能源發電并網控制技術研究

陳 卓，葛啟楨

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

隨著化石能源的日益枯竭、環境污染日趨嚴重的危機，急需一種高效綠色的能源。作為一種新型的清潔能源，海洋潮流能的開發和利用也日益受到重視，其中潮流能并網發電成為其利用的主要研究方向并且也得到了快速發展[2]。然而當潮流能并網逆變器并網運行時，逆變器的拓撲電路結構及其控制方法與傳統的逆變器有相似和不同之處。并網發電輸出的電壓的頻率要與電網的頻率絕對保持一致，與傳統逆變器輸出電壓的頻率控制方法不一樣。傳統的逆變器主要是改變輸出電壓的頻率，其變化范圍較大；而在并網運行時，其頻率只在電網頻率50 Hz左右變化。如何控制其輸出電流波形，快速而準確的跟蹤電網電壓小范圍波動，盡量減少其對電網的諧波污染并輸送符合標準的電能成為其并網運行的研究難點和重點。為了保證逆變器并網成功，滿足單位功率因數輸出，必須加入鎖相環，保證并網逆變器輸出電流與電網電壓一致。傳統的硬件鎖相環電路復雜，調試難度大，且存在直流零點漂移和器件飽和等問題。本文采用一種軟件鎖相環，實現了對電網電壓頻率和相位的跟蹤。

1 潮流能并網逆變器的結構和原理

潮流能并網發電系統的拓撲結構如圖1所示。

由圖中可知，潮流能發電系統一般由水輪機，永磁同步發電機，AC/DC變換器以及并網逆變器等幾個部分構成。

水輪機帶動發電機發出的電經過 AC/DC變換器得到逆變器直流輸入，經由逆變器得到三相交流電并入電網，本文控制系統采用 ARM 的STM32控制器控制，輸出的交流電再由交流濾波器濾波輸出到電網。其中 AC/DC變換器包含最大功率點跟蹤 MPPT（Maximum Power Point Tracking）以及 BOOST升壓得到并網電流幅值基準以及逆變器直流輸入。

在并網發電系統中，由于電網電壓是恒定的，因此只需要控制并網電流，逆變器輸出端需要采用適當的技術使并網電流與電網電壓同頻同相，輸出功率因數為1。鎖相技術應用于并網逆變器中對電網的頻率和相位的跟蹤，響應速度快，穩定性好。并網逆變器控制原理如圖2所示。

通過采樣獲得電網電壓信號，由PLL檢測得到系統同步信號，并網電流經由dq變換與幅值給定進行比較，比較后的誤差通過PI調節器然后經過dq/abc變換，通過SVPWM調制得到各個開關管的觸發信號。

2 鎖相環的組成及實現方法

由于電網的頻率是在一定范圍內波動的，其頻率一般在50 Hz±0.5左右變化。因此，在并網發電系統中電能要輸送給電網，其頻率時刻要與電網額頻率保持同步。潮流能發電系統并網運行時，為保證逆變器并網成功，要求逆變器輸出電流與電網電壓頻率和相位一致，輸出單位功率因數。鎖相環就是通過對電網電壓的監測來保證逆變器輸出電流的頻率和相位與電網電壓保持一致的閉環控制系統。

鎖相環一般由鑒相器、環路濾波器、壓控振蕩器及分頻器組成，結構如圖3所示：

其基本工作原理為：鑒相器將電網電壓和控制系統內部同步信號的相位差信號轉變成電壓,經過環路濾波器濾波后，形成壓控振蕩器的控制電壓，然后通過壓控振蕩器把輸出振蕩頻率拉向環路輸入信號頻率，從而改變系統內部同步信號的頻率和相位，使之與電網電壓一致。

鎖相環的一般實現方法有：1)通過硬件電路檢測電網電壓過零點求得電網電壓同步信號，然后用硬件或軟件實現鎖相。2)采用基于dq變換的同步旋轉坐標下檢測角頻率和相位信息。對于三相電路，采用同步旋轉坐標變換的方法的鎖相環具有更好的動態響應速度和穩態性能。

3 并網逆變器數學模型及鎖相環實現

3.1 基于dq變換的并網逆變器數學模型

逆變器正常工作時處于單位功率因數下運行，并網輸出為與電網電壓同頻同相的正弦電流。其三相回路瞬時值方程為：

在該數學模型下，雖然逆變器各物理概念清晰、直觀，但因為其變量都為時變交流量，不利于控制系統的設計，因此可以通過坐標變換將其從abc三相靜止坐標系轉換到dq同步旋轉坐標系下。

首相，從abc三相靜止坐標系到αβ兩相靜止坐標系變換矩陣為

從αβ坐標系到dq同步旋轉坐標系下的變換矩陣為

通過坐標變換，整理后可得到并網逆變器在同步旋轉坐標系下的數學模型：

由上式可以看出，只要分別控制d、q的電流就能控制并網的有功和無功分量。

3.2 鎖相環的原理及結構

基于dq變換的三相鎖相環基本原理是將三相輸入電壓ua、ub、uc轉換到靜止的αβ坐標系下，然后由靜止的αβ坐標系轉換到同步旋轉的dq坐標系下。

其中α軸與三相靜止坐標系的a軸相重合,當靜止的αβ坐標系開始以一定速度旋轉時就形成了旋轉dq坐標系，此時，d軸與a軸夾角為θ，如圖4所示。

鎖相環的控制結構如圖5所示。

首先通過坐標變換，得到dq坐標系下q軸分量uq，將參考零值與uq進行比較得到誤差信號，將誤差信號輸入 PI節器，然后將輸出值加上初始工頻角頻率 2πf，通過一個積分環節，輸出的即為鎖相角θ。

4 建模與仿真

建立基于 MATLAB-simulink的鎖相環仿真模型及系統整體仿真模型。仿真模型如圖6所示。

仿真模型中，三相電網電壓由三個互差2/3π的正弦波發生器構成，從abc三相靜止坐標系到dq旋轉坐標系使用simulink自帶的Park變換模塊，然后將參考零值與q軸輸出比較，通過PI調節模塊，f取電網標準頻率50 Hz，通過一個積分模塊，輸出的即為鎖相角θ，由圖6中示波器Scope5顯示。設定電網電壓A相為工頻50 Hz的正弦波，其初始相位為0，通過調節PI調節器的參數Kp、Ki獲得輸出相位θ，當取Kp=0.1、Ki=20的時候，仿真結果如圖7所示：通過仿真波形可以看出，輸出的電壓波形能夠很好的跟隨電網電壓并與其同步，該鎖相環能夠很好的實現鎖相。

5 結論

本文介紹了潮流能并網發電系統的結構以及并網逆變器的控制原理，提出了一種基于坐標變換的三相逆變器鎖相控制方法，并對該方法進行詳細分析，通過MATLAB-simulink對其進行建模及仿真，仿真結果表明該方法能夠很好的實現鎖相，達到逆變器單位功率因數并網運行的目的。

[1]陳東華,謝少軍,周波.瞬時值電流控制逆變技術比較[J].南京航空航天大學學報,2004，36（3）:343-347.

[2]趙龍武,王樹杰,李冬.潮流電站電能轉換與并網控制研究.第二屆全國海洋能學術研討會論文集，2009.