并網(wǎng)逆變器的電壓支撐控制策略的實現(xiàn)

陳益松，孫　偉，趙晨光，李建文

(1.國網(wǎng)江西省電力公司九江供電公司，江西九江　332000；2. 國網(wǎng)河北省電力公司保定供電分公司，河北保定　071051；3. 國網(wǎng)河北省電力公司邯鄲供電公司，河北邯鄲　056000 ； 4.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定　071003)

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并網(wǎng)逆變器的電壓支撐控制策略的實現(xiàn)

陳益松1，孫偉2，趙晨光3，李建文4

(1.國網(wǎng)江西省電力公司九江供電公司，江西九江332000；2. 國網(wǎng)河北省電力公司保定供電分公司，河北保定071051；3. 國網(wǎng)河北省電力公司邯鄲供電公司，河北邯鄲056000 ； 4.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

摘要：為了實現(xiàn)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，并網(wǎng)逆變器能夠支撐并網(wǎng)點電壓的目的，通過改變并網(wǎng)逆變器注入到電網(wǎng)的參考正負序電流來控制注入到電網(wǎng)中的無功功率大小，采用雙二階廣義積分器的鎖頻環(huán)(DSOGI-FLL)、準比例諧振(QPR)電流環(huán)控制方法，利用電網(wǎng)同步、正負序提取和電流跟蹤技術(shù)實現(xiàn)對并網(wǎng)點電壓支撐，達到準確的鎖頻和電流無靜差快速響應(yīng)。并通過伯德圖分析，得出參數(shù)的設(shè)置規(guī)律。最終通過整個控制系統(tǒng)的仿真實驗驗證了上述控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)； 電壓支撐；雙二階廣義積分器鎖頻環(huán)；準比例諧振控制；并網(wǎng)逆變器

隨著大量的新能源發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，并網(wǎng)逆變器的控制功能越來越多，不僅能夠在電網(wǎng)正常運行時，低諧波高效并網(wǎng)，實現(xiàn)有功功率傳輸，而且在電網(wǎng)電壓不平衡跌落時，具有低電壓穿越能力，提供無功功率，主動給電網(wǎng)提供電壓的支撐[1-5]。

當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡跌落時，并網(wǎng)逆變器三相電壓和注入的電流都是不平衡的，存在正、負序分量，傳送到電網(wǎng)的瞬時有功和無功功率包含2倍電網(wǎng)基波頻率的振蕩項[1]。并網(wǎng)參考電流的給定根據(jù)不同的控制目標(biāo)可得到不同的表達式[6-9]。主要包括:1)基于有功功率和無功功率的獨立控制方式,在電網(wǎng)電壓不平衡時以消除有功功率或無功功率的振蕩為目標(biāo)，進而抑制直流側(cè)電容電壓的大幅波動[6]；2)利用瞬時功率理論，實現(xiàn)對注入到電網(wǎng)的功率的實時控制[7]；3)以消除負序電流為目標(biāo)，達到向電網(wǎng)注入正弦對稱的電流的目的，進而保證電能質(zhì)量[8]；4)基于正負無功電流的靈活控制，實現(xiàn)電網(wǎng)電壓的支撐等達到多功能并網(wǎng)的目的[9]。上述控制目標(biāo)的實現(xiàn)均需要電網(wǎng)同步技術(shù)和電流跟蹤控制。

當(dāng)三相系統(tǒng)中的電壓變得不對稱甚至畸變時，采用的電網(wǎng)同步技術(shù)主要有：1)基于二階廣義積分器的鎖頻環(huán)(SOGI-FLL)[10]；2)基于解耦雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的鎖相環(huán)技術(shù)(DDSRF-PLL)[11]；3)基于3個單相加強型鎖相環(huán)(E-PLL)構(gòu)成的三相鎖相環(huán)[12]，以及以雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系鎖相環(huán)為基礎(chǔ)改進的基于交叉解耦頻率自適應(yīng)復(fù)數(shù)濾波的電網(wǎng)同步鎖相方法[13]。以上技術(shù)都能在不對稱的三相系統(tǒng)中實現(xiàn)與2階廣義積分器鎖頻環(huán)大致相同的檢測功能，但后幾種的控制算法較復(fù)雜，且以相位為檢測目標(biāo)。

并網(wǎng)電流跟蹤控制可以采用dq坐標(biāo)系下比例積分控制，但在不平衡的三相系統(tǒng)中，其無法實現(xiàn)基波頻率處的無靜差控制[14]。此時可以在dq坐標(biāo)系下，對正序、負序電流分量采用PI控制補償電網(wǎng)電壓負序產(chǎn)生的諧波，但計算量會再加倍。比例諧振 (PR) 控制器在αβ坐標(biāo)系，同時控制正序、負序電流，不存在交叉耦合項，且能消除基波頻率處的穩(wěn)態(tài)誤差，但存在基波頻率失穩(wěn)的問題。準比例諧振(QPR)控制器在基波頻率下增益有限，同時還可以用剪切頻率ωc設(shè)定合適的帶寬，以提高系統(tǒng)抗電網(wǎng)頻率波動的能力[15-17]。

本文旨在解決電網(wǎng)電壓跌落情況下，并網(wǎng)逆變器能起到電網(wǎng)點支撐作用的問題。通過對參考電流的設(shè)定來實現(xiàn)電網(wǎng)電壓支撐作用，使其具備低電壓穿越能力，采用雙二階廣義積分器鎖頻環(huán)實現(xiàn)不平衡電網(wǎng)電壓監(jiān)測的同步技術(shù)，采用無靜差的準比例諧振控制技術(shù)實現(xiàn)不對稱正負序電流的跟蹤，最后通過仿真實驗進行系統(tǒng)驗證。

1并網(wǎng)逆變器的電壓支撐控制策略

具有電網(wǎng)電壓支撐作用的并網(wǎng)逆變器的控制框圖如圖1所示，光伏陣列通過Boost電路與直流電容C并聯(lián)作為逆變器的直流側(cè)，并網(wǎng)濾波器采用L濾波器。本文研究電網(wǎng)變量監(jiān)測的電網(wǎng)同步技術(shù)(DSOGI-FLL)包含正交信號獲取技術(shù)、相序提取技術(shù)；具有電壓提升和均衡作用的參考電流的設(shè)置、控制算法在αβ靜止坐標(biāo)系中實現(xiàn)，電流控制環(huán)采用QPR控制。

圖1　并網(wǎng)逆變器的控制框圖Fig.1　Control block of grid inverter

2控制策略的實現(xiàn)

2.1雙二階廣義積分器鎖頻環(huán)(DSOGI-FLL)

雙二階廣義積分器鎖頻環(huán)包含2個基于二階廣義積分器的正交信號發(fā)生器(SOGI-QSG)和FLL增益歸一化兩部分，分別實現(xiàn)了正交信號發(fā)生器和鎖頻環(huán)的功能。

vabc在αβ靜止參考坐標(biāo)系的正、負序分量中可以通過式(1) 、式(2)求得：

(1)

(2)

式中：q為90°滯后移相算子，這一算子可以通過基于二階廣義積分器的正交信號發(fā)生器來實現(xiàn)。這樣，正負序分量的獲取與電網(wǎng)電壓的鎖頻通過二階廣義積分器聯(lián)系在一起，其功能實現(xiàn)如圖2所示。

圖2　DSOGI-FLL與相序提取原理框圖Fig.2　DSOGI-FLL and the extraction of sequence

2.2參考電流設(shè)計

在αβ靜止坐標(biāo)系中，電網(wǎng)電壓正、負序分量作用于無功功率產(chǎn)生的無功參考電流[3,15],當(dāng)正序無功電流與負序無功電流共同作用時，引入變量k2控制正負序電流的比例，iα,iβ參考電流表達式為

(3)

三相逆變器采用電感L濾波，在不平衡的電網(wǎng)電壓情況下，無功功率產(chǎn)生的正、負序無功電流通過電感時將產(chǎn)生一個電壓，此電壓對電網(wǎng)電壓能夠起到提升和均衡的作用，此結(jié)果已經(jīng)在文獻[9]中證明。從而靈活控制k2值，可以控制正負序分量從而得到合適的電流注入到電網(wǎng)。

2.3QPR電流控制環(huán)的參數(shù)選取

QPR與PR控制的傳遞函數(shù)方程如式(4)、式(5)所示：

(4)

(5)

兩者的伯德圖，如圖3所示。

圖3　QPR與PR控制的伯德圖Fig.3　Bode diagrams of the QPR and PR control

從圖3中可以看出QPR控制在基波頻率處增益比較大，而不是無限大，從而避免了比例諧振控制增益無限大引起的穩(wěn)定性問題。

下面分析QPR控制器參數(shù)對控制系統(tǒng)的影響。當(dāng)QPR控制器kP,kR,ωc取值不同時，其伯德圖如4所示。

圖4　kP,kR,ωc取不同值時　　　QPR控制的伯德圖Fig.4　Bode diagrams of QPR with different values 　　　of kP,kR,ωc

采用QPR控制，參數(shù)kR決定基波頻率處的幅值增益，kR越大其增益越大；ωc決定系統(tǒng)的帶寬，ωc越小系統(tǒng)的帶寬越小；kP影響低頻與高頻處的幅值增益以及相位裕度，kP越小，低頻與高頻處的幅值增益越小時，為了降低低頻與高頻的影響，希望kP較小，但kP很小時，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)就會降低；同時QPR控制器中這3個參數(shù)相互影響作用很小。選擇QPR參數(shù)時，需增大基頻處的幅值增益，增大kR數(shù)值，以提高基頻處的穩(wěn)態(tài)誤差；選擇較大的ωc值來設(shè)定系統(tǒng)的帶寬，有助于降低控制器對電網(wǎng)電壓頻率變化的靈敏性；合適的kP值可以平衡系統(tǒng)的快速性與準確性。

3用于電壓支撐的并網(wǎng)逆變器仿真

3.1DSOGI-FLL仿真

設(shè)三相電壓vabc為220V/50Hz。在0.5s時刻，電網(wǎng)發(fā)生故障，A相電壓幅值從220V驟降為180V，頻率從50Hz驟降為48Hz，相角突變?yōu)?0°；B,C兩相電壓保持正常。此系統(tǒng)參數(shù)SOGI-FLL，k=1.414，Γ=60。圖5給出了DSOGI-FLL電網(wǎng)同步法對頻率和相位的跟蹤情況。

圖5　DSOGI-FLL的頻率、相位波形Fig.5　Frequency and phase waveform under 　　　the control of DSOGI-FLL

從圖5可以看出，DSOGI-FLL電網(wǎng)同步法可以實現(xiàn)對頻率和相位的跟蹤，其響應(yīng)時間短，只有0.05 s，且超調(diào)量最小，動態(tài)過程簡單。圖6給出了通過DSOGI-FLL分解出的正、負序電壓波形圖。

圖6　DSOGI-FLL的正、負序電壓波形Fig.6　Waveform of positive and negative sequence 　　　voltage under the control of DSOGI-FLL

從圖6中可以看出DSOGI-FLL能夠在1個周期內(nèi)快速準確的將正負序分解出來。

3.2 系統(tǒng)仿真

圖7　系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.7　Simulation results

根據(jù)圖1搭建的并網(wǎng)逆變器的控制框圖進行仿真(見圖7)，其整個控制策略在Matlab/Simulink平臺上實現(xiàn)[18]。采用2.1節(jié)的電網(wǎng)同步算法、相序提取算法；2.2節(jié)的參考電流、QPR電流環(huán)控制器算法；根據(jù)2.3節(jié)選取kP=0.4，kR=100，ωc=5，接入點的功率等級為10kVA，電網(wǎng)相電壓為220V。0.25～0.3s電網(wǎng)正常運行；0.3s時刻A相發(fā)生接地短路故障，電壓出現(xiàn)不平衡跌落；0.3～0.4s是未加入電壓支撐策略的波形；0.4s后采用本文提出的電壓支撐策略，電流限值設(shè)為20A；0.4～0.5s時，系數(shù)k2的值設(shè)為1；0.5～0.6s時，系數(shù)k2的值設(shè)為0.5；0.6～0.7s時，系數(shù)k2的值設(shè)為0。

從圖7中可以看出，當(dāng)0.3s時刻電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，并網(wǎng)逆變器有功功率增加，在QPR控制策略下，電網(wǎng)電流仍能跟蹤有功參考電流，保持正弦對稱，但由于短路故障，電壓降低，造成電流有所增大，達到36A，這時可能會超過電網(wǎng)電流的限值，因此有必要加入電流限制。從0.4s開始使用本文的電壓支撐策略，可以明顯的看出電網(wǎng)電壓有了明顯的提升；k2=1或者k2=0時，此時只有正序分量或者負序分量流入起作用，注入到電網(wǎng)中的電流為對稱的電流；k2=0.5時，正負序分量分別起作用，此時注入到電網(wǎng)中的電流變的不對稱(見圖8)。

圖8　電網(wǎng)線電壓有效值的波形Fig.8　Waveform of grid RMS line voltages

從圖8可以看出，當(dāng)系數(shù)k2越接近1時，電壓的提升作用越大，k2越接近0，電壓越趨于對稱。因此采用上述方法實現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器的電壓支撐控制策略。

4結(jié)語

本文采用DSOGI-FLL實現(xiàn)了電網(wǎng)正負序信號與頻率的提取，并且采用QPR控制實現(xiàn)了對正負序參考電流的跟蹤。在電網(wǎng)電壓跌落情況下實現(xiàn)了通過并網(wǎng)逆變器來支撐并網(wǎng)點電壓，仿真結(jié)果表明：在電網(wǎng)故障情況下，此策略通過靈活控制電網(wǎng)的注入電流，能夠提升均衡電網(wǎng)電壓，采用多功能并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)電網(wǎng)電壓支撐。

參考文獻/References:

[1]REMUS T, MARCO L, PEDRO R. 光伏與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)變換器[M].周克亮，王政，徐青山，譯.北京： 機械工業(yè)出版社，2012.

[2]MIGUEL C, JAUME M, JORGE L S,et al. Grid-Fault control scheme for Three-Phase photovoltaic inverters with adjustable power quality characteristics[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(12): 2930- 2940.

[3]ANTONIO C, MIGUEL C, JAUME M. Flexible voltage support control for three-phase distributed generation inverters under grid fault[J]. IEEE Transactions Industrial Electronics, 2013, 60(4): 1429-1441.

[4]謝澤坤,金秀章,陳海平,等.聚光光伏-光熱綜合利用系統(tǒng)性能分析[J].熱力發(fā)電,2014, 43(12): 9-13.

XIE Zekun, JIN Xiuzhang, CHEN Haiping,et al. Performance analysis on a concentrating photovoltaic/solar thermal utilization system[J]. Thermal Power Ceneration, 2014,43(12):9-13.

[5]王國智,李忠良,劉芳,等.某光伏電站接入電網(wǎng)對電壓潮流的影響[J].河北工業(yè)科技,2015,32(1): 45-49.

WANG Guozhi, LI Zhongliang, LIU Fang,et al. Impact of a photovoltaic power station connected to power grid on voltage and power flow[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2015,32(1):45-49.

[6]WANG Fei, JORGE L,DUARTE M. Pliant active and reactive power control for grid-interactive converters under unbalanced voltage dips[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(5): 1511-1521.

[7]PEDRO R, ADRIAN V. Timbus flexible active power control of distributed power generation systems during grid faults[J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2007, 54(5): 2583-2592.

[8]周京華,劉勁東,陳亞愛,等.大功率光伏逆變器的低電壓穿越控制[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,37(7): 1799-1807.

ZHOU Jinghua, LIU Jindong, CHEN Yaai,et al. Low voltage ride-through control of high power inverter for gird-connection of photovoltaic generation[J]. Power System Technology,2013,37(7):1799-1807.

[9]李建文,雷亞雄,李永剛,等.并網(wǎng)逆變器電壓支撐的參考電流值[J].電工技術(shù)學(xué)報,2015,30(10): 272-282.

LI Jianwen, LEI Yaxiong, LI Yonggang,et al. Reference current for the grid-connected inverter to support grid voltage.[J] Transactions of China Electrotechnical Society, 2015,30(10): 272-282.

[10]薛尚青, 蔡金錠. 基于二階廣義積分器的基波正負序分量檢測方法[J].電力自動化設(shè)備,2011,31(11): 69-73.

XUE Shangqing, CAI Jinding. Detection of fundamental positive and negative sequence components based on second-order generalized integrator[J]. Electric Power Automation Equipment, 2011, 31(11): 69-73.

[11]RODRIGUEZ P, POU J, BERGAS J, et al. Decoupled double synchronous reference frame PLL for power converters control[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(2): 584-592.

[12]GHARTEMANI M, IRAVANI M. A method for synchronization of power electronic converters in polluted and variable frequency environments[J]. IEEE Trans on Power Systems, 2004, 19(3): 1263-1270.

[13]王寶誠, 傘國成, 郭小強,等.分布式發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)同步鎖相技術(shù)[J].中國電機工程學(xué)報, 2013, 33(1): 50-55.

WANG Baocheng, SAN Guocheng, GUO Xiaoqiang, et al.Grid synchronization and PLL for distributed power generation systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(1): 50-55.

[14]鮑陳磊,阮新波,王學(xué)華,等. 基于PI調(diào)節(jié)器和電容電流反饋有源阻尼的LCL型并網(wǎng)逆變器閉環(huán)參數(shù)設(shè)計[J].中國電機工程學(xué)報, 2012, 32(25): 133-142.

BAO Chenlei, RUAN Xinbo, WANG Xuehua,et al. Design of grid-connected inverters with LCL filter based on PI regulator and capacitor current feedback active damping[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(25): 133-142.

[15]雷亞雄,李建文,李永剛.基于準PR調(diào)節(jié)器電流雙閉環(huán)LCL三相并網(wǎng)逆變器控制[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2014,42(12):44-50.

LEI Yaxiong, LI Jianwen,LI Yonggang. Control strategy of three-phase LCL grid-connected inverter based on quasi-PR adjuster[J]. Power System Protection and Control,2014,42(12): 44-50.

[16]宣文華，牛益國，謝小英，等.基于頻域分析和低通濾波的光伏并網(wǎng)逆變器諧振抑制研究[J].燕山大學(xué)學(xué)報，2015，39(4)：347-351.

XUAN Wenhua,NIU Yiguo,XIE Xiaoying,et al.Suppression of harmouic resouance for grid-connected PV inverter based on frequency domain analysis and low-pass filter control[J].Journal of Yanshan University,2015,39(4):347-351.

[17]焦曉紅，李超.分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器輸出功率的自適應(yīng)控制[J].燕山大學(xué)學(xué)報，2014，38(2)：163-167.

JIAO Xiaohong,LI Chao.Output power adaptive control of grid-connected inverter in distributed generation system[J].Journal of Yanshan University,2014,38(2):163-167.

[18]郝莉紅,王志騰,陳洪.基于MATLAB/Simulink對半主動懸架的Fuzzy-PID控制仿真研究[J].河北工業(yè)科技,2013,30(1):42-46.

HAO Lihong, WANG Zhiteng, CHEN Hong. Simulation of Fuzzy-PID control of semi-active suspension based on MATLAB/Simulink [J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2013,30(1):42-46.

Realization of voltage support control strategy of grid-connected inverter

CHEN Yisong1, SUN Wei2, ZHAO Chenguang3, LI Jianwen4

(1. State Grid Jiangxi Electric Power Company Jiujiang Power Supply Branch Company, Jiujiang, Jiangxi 332000, China; 2. State Grid Hebei Electric Power Company Baoding Power Supply Company, Baoding, Hebei 071051, China;3. State Grid Hebei Electric Power Company Handan Power Supply Company, Handan, Hebei 056000, China; 4.School of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003, China)

Abstract:In order to realize the object that the grid-connected inverter is utilized to support grid voltage in power system when the grid voltage falls, the reactive power injected into the gird is controlled according to different positive and negative reference currents injected into the grid by the grid connected inverter. The frequency lock loop of double second-order generalized integrator (DSOGI-FLL) and quasi proportional resonant (QPR) current loop control methods are adopted, and power grid synchronization, negative sequence voltage extraction and current tracking technologies are used to realize the support of the grid power voltage with accurate frequency-locking and current floating quick response. Bode diagram is analyzed to achieve the setting rule of parameters. Finally, the simulation of the whole system verifies the effectiveness of the above-mentioned control strategy.

Keywords:power electronic technology; grid voltage support; DSOGI-FLL; QPR control；grid-connected inverter

文章編號：1008-1534(2016)03-0208-06

收稿日期：2016-01-21;修回日期：2016-03-26；責(zé)任編輯：李穆

基金項目：國網(wǎng)江西省科技攻關(guān)項目(5218D014004M)

作者簡介：陳益松(1986—)，男，福建建寧人，助理工程師，主要從事電力規(guī)劃設(shè)計與設(shè)備運行管理方面的研究。通訊作者：李建文。E-mail:xiaosazzi@163.com

中圖分類號：TM712

文獻標(biāo)志碼：A

doi:10.7535/hbgykj.2016yx03005

陳益松,孫偉,趙晨光，等.并網(wǎng)逆變器的電壓支撐控制策略的實現(xiàn)[J].河北工業(yè)科技,2016,33(3):208-213.

CHEN Yisong,SUN Wei,ZHAO Chenguang,et al.Realization of voltage support control strategy of grid connected inverter[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(3):208-213.