分布式可再生能源并網逆變器控制策略研究

王歸新　湯大猷　陳海東　程俊翔

(三峽大學 新能源微電網湖北省協同創新中心， 湖北 宜昌　443002)

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分布式可再生能源并網逆變器控制策略研究

王歸新湯大猷陳海東程俊翔

(三峽大學 新能源微電網湖北省協同創新中心， 湖北 宜昌443002)

摘要：為滿足分布式可再生能源并網要求，提出一種模擬同步發電機特性的并網逆變器控制策略．引入慣性與阻尼特性，建立了并網逆變器控制策略的數學模型．采用近似同步發電機勵磁無功調節、有功頻率下垂特性調節，實現并網逆變器在孤島運行時維持電網電壓、頻率穩定，在并網運行時實時跟蹤有功、無功指令，提高系統的穩定性．仿真結果證明了所提出控制策略的可行性．

關鍵詞：分布式發電；并網逆變器；虛擬同步電機；調頻調壓

隨著全球能源消費的不斷增長，以化石燃料為主的能源供應方式使人們對能源供應的可持續性日漸關注[1]，加之在全球氣候變暖、電力系統結構拓撲不斷老化、能效利用率達到瓶頸以及對電能質量高要求的背景下，使得對可再生能源的開發利用、構建可持續的能源系統成為現階段各國的共同目標與必然的發展趨勢[2]．近年來，風能、太陽能等可再生能源發展迅速，國內已建立大批的風、光發電站[3]．由于風速、光照強度等具有隨機性、非線性和不可控性等特征[4]，大型風光電站的并網給電力系統穩定性帶來了不小的挑戰．作為分布式能源與智能電網的紐帶，并網逆變器的作用不言而喻，但在發揮其有益作用的同時不可忽視的是常規并網逆變器的固有缺陷．分布式發電系統的串并聯諧振事故多次出現，三相不平衡、低功率因數等電能質量問題也十分突出．這些問題給配電網和微電網的安全穩定運行帶來挑戰[5]．

在可再生能源由集中式發電向分布式接入電網，配電網從無源配網向有源配網過渡的背景下，傳統運行模式下并網逆變器所采用的集中通信、控制和調度難以達成，由此希望各分布式能源可以實現自治控制[6]．為使并網逆變器達到自治控制的目的，學術界提出一種思路是并網逆變器模擬發電機的外特性，由此產生的控制策略大致分為兩類．一類是下垂控制策略，在并網逆變器閉環功率控制中加入近似發電機電壓和頻率特性．這種控制策略在一定程度上提高了并網逆變器的性能，但由于此策略只是對發電機下垂外特性的一種仿效，沒有真正意義上的對系統的阻尼作用，使設計不佳的下垂系數對系統穩定性影響很大[7]．另一類控制策略是虛擬同步發電機控制技術，在這類控制策略中加入了發電機機械運動方程，使變換器的慣性與阻尼概念構成明確的物理解釋，為系統穩定性提供支撐[8]．本文基于虛擬同步電機控制策略，建立了分布式可再生能源并網逆變器的控制策略數學模型，包含虛擬調速、勵磁系統控制器，可實現分布式能源孤網并網運行．

1并網逆變器數學模型

1.1虛擬同步發電機數學模型

本文從系統分析和控制器設計的角度出發，建立無源動態系統同步電機模型．采用隱極機模型故定子電感參數為常量，設定子繞組磁極對數為1對，不考慮渦流效應且鐵芯中沒有磁路飽和現象[9]．雖然阻尼繞組有助于同步電機的速度偏差調節以及保持與電網的同步，但在簡化模型中其效果需進一步驗證，故在此忽略．

1.1.1電氣模型

如圖1所示，勵磁繞組與3個完全相同的定子繞組分別固定在溝槽中，氣隙分布均勻．

圖1　三相同步電機簡化模型

定子繞組可用一個集中線圈等效代替，包含自感L與互感-M，其中M>0且通常取值為0.5L，負號由相位相差2π/3產生；勵磁繞組可視為一個包含自感Lf的集中線圈．互感的值隨勵磁線圈與定子線圈間轉角θ的值變化，如式(1)，其中Mf>0．

繞組磁鏈方程為

式中ia、ib和ic為三相定子電流，if為轉子勵磁電流．

在無中性線接線方式下，ia+ib+ic=0．則定子磁鏈方程可表示為

式中，Ls=L+M．

勵磁磁鏈方程可表示為

式中，Mf[I，cosθ]為電樞反映方程，在三相電流為對稱交流量時保持連續．

由式(3)可得三相端電壓U=[uaubuc]T為

式中，Rs為定子繞組等效電阻；E=[eaebec]T為勵磁電勢，主要受轉子運動的影響．

其公式為

式中，ω為同步發電機電氣角速度，ω0為電網同步角速度，θ=∫ωdt．

由式(4)可得勵磁電壓為

式中，Rf為轉子繞組等效電阻．在模型的實際求解中，為方便計算將勵磁電壓用勵磁電流代替作為一個可調節連續型變量作為輸入量．當用一個恰當的直流源等效代替勵磁繞組端電壓且if連續時，式(6)可簡化為

虛擬同步電機的總機械方程可表示為

其中，J為同步發電機轉動慣量，Tm和Te為同步發電機機械轉矩與電磁轉矩，D為阻尼系數．

同步電機電磁轉矩可由電磁功率P求得

帶入式(3)、(4)得

在Φ，Φf連續時，無反電動勢，電磁轉矩可表示為

而在I和if連續時，由逆矩陣求導公式可知

將式(6)帶入式(9)可得

一個基本DC/AC并網逆變器拓撲如圖2所示，包括直流側能量吸收回路，三橋臂PWM控制整流橋，LC濾波電路，電網接入側阻抗(由串聯的等效電感與電阻組成)經斷路器與大電網相連．

圖2　并網逆變器拓撲

將直流吸收回路視為原動機做功及電機慣性環節(與電網頻率的導數成正比)的等效，三橋臂中點處電壓等效為發電機暫態電勢，濾波電感等效為定子繞組阻抗，濾波電容處電壓等效為機端電壓，電網側阻抗并不是逆變器的一部分，但其有助于逆變器進行功率與同步調整．基于此思想進行控制的并網逆變器具有了慣性與阻尼特性，有助于提高分布式可再生能源的并網電能質量，提高電網穩定性．

2控制方案

2.1虛擬調速與有功控制

借鑒同步發電機通過調節原動機輸入機械功率來調節有功輸出，在并網逆變器有功調節環節中引入對虛擬機械轉矩Tm的控制．為保證分布式電源的獨立運行、保持頻率穩定，加入調頻環節．Tm由穩態機械轉矩Tm0，頻率調節轉矩Tmf組成．

式中，Pset為有功參考值，f為模擬機端電壓的頻率，fset為電網頻率，Kf為調頻系數．

2.2虛擬勵磁與無功控制

同步發電機的無功調節依賴于勵磁電流的變化，依據此原理，在逆變器控制中通過調節虛擬電勢的變化來進行輸出電壓的整定與無功功率調節．虛擬電勢E由3部分組成．第1部分為虛擬發電機空載電勢E0，等效為分布式電源在脫網空載運行時的機端電壓；第2部分為保證獨立運行時電壓穩定，等效調壓環節的調壓輸出量EU；第3部分為無功功率調節量EQ．

E=E0+EU+EQ

玉米需水曲線與單株曲線相一致，玉米苗期耗水較少，播節期需水激增，是玉米水分臨界期，這時如遇干旱，減產嚴重。乳熟期仍需較多水分，此時缺水會降低粒重，蠟熟期需水較少，干燥天氣有利于成熟。玉米灌溉應在玉米8-10小時，此時正是雌雄穗分化期，利于結大穗、奪高產。

式中，U為模擬機端電壓，Uset為機端電壓給定值，KQ為無功調節系數；Q為并網逆變器瞬時輸出無功值，Qset為無功功率給定值，KU為調壓系數．

綜上可得系統總體控制框圖見圖3．

圖3　系統控制框圖

2.3參數整定

定義并網逆變器輸出有功、無功功率分別為P和Q．則

無功功率電勢滯后于有功功率電勢90°，故可表示為

許婧基于虛擬同步電機控制策略，并網逆變器在實現功率實時調節的基礎上能對頻率、電壓進行穩定性控制，保證獨立運行時電網電能質量，為脫網、并網切換過程中減緩震蕩過程提供支持以提高系統穩定性[10]．

同步電機的轉動慣量J與其實際體積有關，通常用慣性時間常數H表示：

J=2H

慣性時間常數為電機轉子軸上增加凈轉矩為額定轉矩時，機組由靜止到額定轉速所需要的時間[11-12]．水電機組的慣性時間常數通常在1～3s左右，火電機組的慣性時間常數通常在7～8s左右．虛擬時間常數無實際物理尺寸限制，取值范圍更寬，一般取值需與并網逆變器直流側電源響應時間耦合．

3仿真分析

為驗證所提出控制策略的合理性與可行性，在Matlab/Simulink環境下對并網逆變器進行控制仿真研究．模擬分布式能源接入電網，進行電網參數整定．直流側電壓為750V，網側線電壓500V，脈寬調制載波頻率為2kHz，樣本采樣周期為2μs，仿真時間1s．具體參數見表1．

表1　系統參數

圖4　仿真模型

仿真模型如圖4所示，在仿真初始時刻系統帶3 kW有功負荷啟動，在0.2 s時增加3 kW有功負荷，系統運行至0.5 s時增加4 kVar無功負荷，無功負荷由0階躍至4 kVar，最終在0.8 s時切除所有負荷．上述負荷變化條件不變，基于虛擬同步電機控制的并網逆變器輸出功率波形如圖5所示，系統頻率、電壓波形如圖7所示；常規并網逆變器輸出功率波形如圖6所示．對比圖5與圖6可知，常規并網逆變器在接入負載瞬間產生非常大的有功尖沖，在0.5 s增加無功負荷時，有功功率由于缺乏有效控制，造成有功墜落，無法按要求向電網輸送功率；本文所設計并網逆變器功率調節功能很好地完成了對功率指令的跟蹤，輸出功率出現了同步發電機所具有的震蕩特性，能夠自適應調節有功、無功功率的輸出，滿足并網逆變器控制要求．

圖5　模擬同步電機控制逆變器PQ輸出波形

圖6　頻率電壓波形

由圖7可知，在控制策略上采用模擬同步電機的特性，使得電壓、頻率波形波動保持在電網要求范圍之內，能夠滿足分布式能源在孤網運行模式下維持電網系統穩定性要求．

圖7　常規并網逆變器PQ輸出波形

4結論

本文提出一種模擬同步發電機慣性、阻尼環節的分布式能源并網逆變器控制策略．建立起完整數學模型，借鑒同步電機調壓、調頻機制完成逆變器控制策略的制定，經過仿真驗證了所提出策略的合理性．此策略使并網逆變器的慣性、阻尼得到提高，可增強分布式可再生能源應對系統隨機震蕩的能力．其設計參數雖借鑒于同步電機但由于其不受制造技術限制，參數設計范圍更廣，調節域更大；但由此也使參數整定難度增加，容易出現調節失常；同時受電力電子器件耐壓、反響恢復時間等參數的限制，逆變器控制參數與電路拓撲還有待于進一步優化，以提高微網的性能．

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[責任編輯張莉]

Study of Control Strategy for Grid Connected Inverter Applied

to Distributed Renewable Energy Source

Wang GuixinTang DayouChen HaidongCheng Junxiang

(Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for New Energy Microgrid, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractIn order to satisfy the demand of distributed renewable energy sources to paralleling in the grid, the idea of operating an inverter to simulate a synchronous generator (SG) is motivated and developed. The mathematical model of grid-connected inverter has already established, including characteristics of inertia and damping. The real and reactive power delivered by grid-connected inverter operated as SG can use the virtual toque and virtue frequency regulator. In island mode, the inverter will retain voltage and frequency stability and on the other hand in grid-tied mode to realize the power tracking. According to this control tactics, it is improved that the renewable power generation system is stable. The simulation results prove the feasibility of this method.

Keywordsdistributed generation；grid-connected inverter；virtual synchronous generator； voltage and frequency regulation

基金項目：人才科研啟動基金(KJ2014B016)

中圖分類號：TM464

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2015)06-0075-05

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.016

通信作者：王歸新(1961-)，男，副教授，主要研究方向為電力電子技術在電力系統中的應用，新能源微電網的運行與控制．E-mail：446992136@qq.com

收稿日期：2015-09-25 2015-06-27