并網逆變器功率和合成諧波阻抗聯合控制策略*

王湘明，張瑋瑋，王衛鑫

(沈陽工業大學 信息科學與工程學院，沈陽 110870)

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并網逆變器功率和合成諧波阻抗聯合控制策略*

王湘明，張瑋瑋，王衛鑫

(沈陽工業大學 信息科學與工程學院，沈陽 110870)

為了抑制電網中因非線性負載和電力電子器件的大量使用而產生的諧波，給出了并網逆變器的給定功率和合成諧波阻抗聯合控制策略.該策略能夠根據給定的有功功率和無功功率控制系統，并且在電流環電壓環上加入了諧波阻抗環.Matlab/Simulink結果顯示，該控制策略能夠在實現并網逆變器并網的同時起到有效抑制電網諧波的作用.仿真結果表明，此方法能夠抑制電流諧波，也使得電網電壓諧波得到有效抑制，并避免了電網線路上的諧振.

逆變器；電網；PR控制器；功率控制；諧波阻抗；二階廣義積分器；諧波抑制；Matlab/Simulink仿真

隨著全球環境污染和能源危機問題的加劇，太陽能、風能等可再生能源的開發利用越來越受到青睞，其中風力發電技術的發展也越來越迅速.作為風力發電系統的核心部件，并網逆變器直接決定著并網電流的質量.由于非線性負載及電力電子器件的使用，并網系統中不可避免存在諧波干擾.但若并網電流中諧波含量過高，將會對電網和用電設備造成嚴重的危害，因此，在并網同時如何利用網側逆變器來抑制電網諧波已成為當今風電并網的熱門話題[1].

網側逆變器諧波抑制控制策略主要包括PI控制、無差拍控制、滑膜控制、重復控制以及PR控制等方法.PI控制具有簡單、易于控制、方法成熟等優點，是目前逆變器控制中應用最廣泛的方式，但它無法對正弦信號進行無靜差跟蹤，而且其精度、穩定性、抗干擾能力還有待于提高[2]；無差拍控制[3]的動態響應快，能有效抑制瞬時擾動，但算法復雜，控制效果的穩定性極大程度上依賴模型的準確程度；滑膜控制[4]對于系統參數及負載有較好的動態特性，但對周期性擾動的抑制效果不理想；重復控制[5]的穩態控制精度高，但其動態性能較差，有一個周期的信號延遲；PR比例諧振積分器算法簡單，性能優于傳統的PI控制，但由于電網頻率會在一定范圍內波動，難以滿足系統穩定性要求[6-7].更重要的是單一使用上述的方法都不具備諧波抑制功能.

本文綜合已有方案，提出基于給定功率控制和合成諧波阻抗的控制策略，該策略能實現按照給定的有功功率和無功功率進行電壓電流控制，并實現諧波抑制.其中，在電壓環采用準比例諧振控制器進行控制，不但能實現對信號的無靜差跟蹤，而且具有良好的抗電網頻率波動的能力.圖1為基于給定功率控制和合成諧波阻抗控制策略的并網逆變器系統框圖，其中負載為非線性負載，也代表電網上的諧波源[8].

圖1　網側逆變器控制系統

1　PR準比例諧振控制器

因為傳統的PID控制只能對直流量進行控制，難以實現對正弦交流信號的快速、無靜差跟蹤，本文在電壓控制環引入了PR準比例諧振控制器.

PR控制器是一個針對于控制對象設計的控制器，具體而言就是構造一個傳遞函數，使其與輸入參考信號具有相同的數學模型，從而對參考輸入信號進行交流補償.理想PR比例諧振控制器的傳遞函數為

(1)

式中：Kp為比例項系數；Kr為諧振項系數；ωf為諧振頻率即電網頻率.然而，理想PR比例諧振器的帶寬過小，在諧振頻率處增益無上限，使得系統對參數波動異常敏感，在實踐中并不實用.因此，本文引入了準比例諧振控制器，其傳遞函數為

(2)

式中，ωc為系統截止角頻率.

由式(2)可以看出，準比例諧振控制器的帶寬可以通過改變ωc來變寬或變窄，從而有助于減小在電網頻率略有變化時系統的敏感性.為了分析三個參數對PR控制器的影響，圖2～4分別給出了Kr、ωc、Kp響應波特圖.在圖2中，令Kp=0，ωc=3，曲線Kr取100、10、1；在圖3中，令Kp=0，Kr=100，曲線ωc取20、10、1；在圖4中，令Kr=100，ωc=10并保持不變，曲線Kp取50、1、0.1.

由圖2～4可以看出，Kr與系統增益相關，起到減小穩態誤差作用，Kr增大則系統增益提高；ωc影響諧振頻率處的帶寬，ωc增大則帶寬增大；Kp同時影響系統增益和頻率處的帶寬，Kp增大則系統增益增大，同時帶寬變小.

在系統中，常根據以上原則用“試湊”法確定各參數.先根據經驗將其中任意兩個參數設定為常量，變換另一個參數，直到系統穩定為止，從而逐漸確定各參數.經試湊，本文中Kr取100，ωc取10，Kp取0.1.

圖2　Kr變化

圖3　ωc變化

2　功率控制

本文中功率控制的目的是希望系統能夠按照給定的功率運行，并可以根據給定的功率得到系統電壓控制環的標準參考電壓.

圖4　Kp變化

該控制方式的原理主要是根據給定的有功、無功功率和系統實際電流的有功、無功分量，得到電壓環的參考電壓值，通過參考電壓值進行進一步的調節.具體來說，首先需要測量出實際電壓、電流的有功分量和無功分量，然后在給定的有功功率和無功功率下，計算出電流的有功分量和無功分量的理論值，最后將電流的理論值與實際測量值偏差進行調節，即可得到電壓環的參考電壓值.有功功率和無功功率的表達式為

P=UdId+UqIq

(3)

Q=UqId-UdIq

(4)

式中：P為有功功率；Q為無功功率；Ud、Uq分別為電壓的有功分量、無功分量；Id、Iq分別為電流的有功分量、無功分量.

當給定系統的有功功率和無功功率，并測得系統實際電壓后，由式(3)、(4)可得

(5)

(6)

式(5)、(6)中的所有有功分量和無功分量都是利用瞬時無功功率的理論檢測到的，按上述方法得到的simulink仿真圖如圖5所示.

圖5　Simulink仿真圖

3　合成諧波阻抗

電力系統的諧波阻抗不僅會使電壓發生畸變，還可能使系統產生諧振[9]，因此，使諧波電流流經重新塑造的諧波阻抗，并反向疊加到電網上就會有效補償電壓的失真.諧波電流可用瞬時無功理論得到.

本文的諧波阻抗模型是利用SOGI模型實現的，SOGI模型是一個二階廣義積分器，其結構如圖6所示.

圖6　SOGI模型結構框圖

根據圖6可得該模型的閉環傳遞函數為

(7)

(8)

根據式(7)、(8)可得

(9)

假設輸入信號X為電流信號，Y1(s)是X的基波分量[10]，則

Y1(s)=Asinωt

(10)

式中：A為電流信號的幅值；ω為角頻率.由式(9)和式(10)可得

Y2(s)=-Acosωt

(11)

當阻抗呈純電感時，則有

(12)

式中，Lv為虛擬電感值.由式(11)、(12)可得

Zv=ωLvAcosωt=-ωLvY2

(13)

同理，當阻抗呈純阻性時，可得

Zv=RvY1

(14)

由以上分析可得基于SOGI模型的虛擬諧波阻抗的結構如圖7所示.

圖7　諧波阻抗結構框圖

4　仿真結果

采用matlab/simulink對本系統進行仿真，其相關主要仿真參數如表1所示.

表1　系統仿真參數

未加入具有諧波抑制功能的并網逆變器前，電網的電壓波形及其FFT分析如圖8所示，由圖8b可知，電壓諧波含量為0.15%；電流波形及其FFT分析圖如圖9所示，由圖9a可知，由于諧波源的存在，波形畸變嚴重，由圖9b可知，電流諧波含量達到33.62%.

圖8　未治理的電壓波形及其FFT分析

圖9　未治理的電流波形及其FFT分析

加入本系統并網后，電網電壓波形圖及其FFT分析如圖10所示；電網電流波形圖及其FFT分析如圖11所示.

圖10　電壓波形圖及其FFT分析

圖11　電流波形圖及其FFT分析

由圖10和圖11可以看出，系統響應較快，0.1 s后即可穩定；穩定后并網電壓、電流波形平滑，是理想的正弦波；電壓諧波含量下降為0.01%，電流諧波含量下降為2.84%；電壓是以標幺值輸出，轉換為峰值平均約為311 V，電流峰值平均約為34.5 A，與給定的有功功率和無功功率計算得到的電壓和電流峰值相吻合，輸出功率也基本符合給定功率.由以上分析可以證明：基于給定功率和合成諧波阻抗的并網逆變器的控制策略即能實現并網，又能抑制逆變器輸出電壓、電流諧波.

5　結　論

本文針對并網逆變器諧波抑制問題，給出了基于合成諧波阻抗和給定功率控制的策略，該控制策略在功率控制基礎上增加了諧波阻抗環，并在電壓控制環中利用PR準比例諧振控制器代替傳統的PID控制器進行控制.通過仿真結果驗證了該方法的可行性，得出以下結論：

1) 在電壓環中加入PR準諧振比例諧振控制器使得并網逆變器能夠快速、無靜差跟蹤信號；

2) 在功率控制過程加入合成諧波阻抗環，在并網的同時能夠有效地抑制諧波，補償電壓失真并避免諧振.

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(責任編輯：景勇英文審校：尹淑英)

Combined control strategy of power and synthetic harmonic impedance for grid connected inverter

WANG Xiang-ming,ZHANG Wei-wei,WANG Wei-xin

(School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

In order to suppress the harmonics generated by the mass use of nonlinear loads and power electronic devices in the power grid,a combined control strategy of given power and synthetic harmonic impedance for grid connected inverter was proposed.This strategy could control the system according to given active power and reactive power,and the harmonic impedance loop was added to both current loop and voltage loop.The results of Matlab/Simulink simulation show that the proposed control strategy can effectively suppress the power grid harmonics,and realize the grid connection of grid connected inverter at the same time.The simulated results show that the strategy can effectively suppress the current harmonics and voltage harmonics in the power grid,and the resonance on the power grid circuit can be avoided.

inverter; power grid; PR controller; power control; harmonic impedance; second order generalized integrator; harmonic suppression; Matlab/Simulink simulation

2015-10-23.

科技部科技型中小企業技術創新基金資助項目(13C26212101002).

王湘明(1963-)，男，湖南寧鄉人，副教授，主要從事風力發電、自控技術等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.02.02

TP 391.9

A

1000-1646(2016)02-0127-06

*本文已于2016-03-02 16∶48在中國知網優先數字出版.網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1648.056.html