單逆變器受控源等效電路模型及等效電壓增益特性研究

張志偉，吳文進(jìn)

（安慶師范大學(xué)物理與電氣工程學(xué)院，安徽安慶246133）

為了有效地解決煤炭、石油等化石能源消耗量增加帶來的環(huán)境污染、能源供應(yīng)不足等問題。太陽能、風(fēng)能等可再生能源技術(shù)得到了較快的發(fā)展并開始大規(guī)模應(yīng)用[1]。截至2018年底，全國(guó)風(fēng)電、光伏裝機(jī)達(dá)3.6億千瓦，占全部裝機(jī)比例近20%。風(fēng)電、光伏全年發(fā)電量6 000億千瓦時(shí)，占全部發(fā)電量近9%。2017年投產(chǎn)的風(fēng)電、光伏電站平均建設(shè)成本比2012年分別降低了20%和45%[2]。在可再生能源技術(shù)發(fā)展過程中，分布式發(fā)電裝機(jī)容量占比越來越高。與傳統(tǒng)的集中式發(fā)電系統(tǒng)相比，分布式發(fā)電系統(tǒng)能夠提高可再生能源的利用率和供電的可靠性，有效減小電能的傳輸損耗，改善電力系統(tǒng)的效率[3-4]。交流微網(wǎng)作為有效消納太陽能、風(fēng)能等分布式可再生能源、促進(jìn)分布式能源安全可靠運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)區(qū)域能量自治供需平衡的關(guān)鍵解決方案，目前已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。在交流微網(wǎng)中，逆變器作為分布式電源的輸出接口裝置，是確保交流微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。本文分析了微網(wǎng)單逆變器在離網(wǎng)狀態(tài)下的控制策略，并建立了其受控源等效電路數(shù)學(xué)模型，基于模型分析了逆變器在電壓和電流控制器參數(shù)變化的情況下其等效電壓增益的變化規(guī)律，為微網(wǎng)系統(tǒng)中的逆變器設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 系統(tǒng)控制策略分析

交流微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)在離網(wǎng)狀態(tài)下一般都采用Pf/Qv下垂控制方法，其控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。逆變器輸出通過LCL濾波器連接到交流母線上，L1,rL1為逆變側(cè)濾波電感及其等效電阻，L2、rL2為網(wǎng)側(cè)濾波電感及其等效電阻，Lline、rline為逆變器安裝點(diǎn)到公共連接點(diǎn)之間的物理連線的等效電感及其等效電阻。控制結(jié)構(gòu)中包括輸出功率計(jì)算模塊、下垂控制算法模塊、參考電壓合成模塊、電壓控制環(huán)模塊、電流控制環(huán)模塊和矢量控制模塊。逆變器輸出端電壓uoabc和電流ioabc被檢測(cè)后由功率計(jì)算模塊計(jì)算逆變器輸出的有功功率和無功功率，再由下垂控制算法模塊和參考電壓合成模塊根據(jù)計(jì)算的有功功率及其參考值和無功功率及其參考值合成參考電壓，參考電壓值為電壓控制環(huán)模塊的輸入，電流控制環(huán)模塊輸出電壓調(diào)制信號(hào)，SVPWM模塊在電壓調(diào)制信號(hào)的作用下產(chǎn)生方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變器中功率開關(guān)管動(dòng)作進(jìn)而調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓。

圖1 單逆變器下垂控制結(jié)構(gòu)框圖

為了給負(fù)載提供電壓和頻率支撐，需要對(duì)逆變器的輸出電壓進(jìn)行控制。在常規(guī)的輸出電壓控制策略中，反饋的采樣電壓是輸出濾波器電容電壓，所以逆變器直接控制的是電容兩端的電壓，這樣逆變器的輸出電流在L2、rL2和Lline、rline形成的電壓降落影響了交流母線在基波域的電壓精度，降低了母線電壓的質(zhì)量，同時(shí)不利于各逆變器之間的功率分配。為了減弱網(wǎng)側(cè)濾波電感及其等效電阻L2、rL2對(duì)均流控制和交流母線電壓的不利影響，本文采用直接控制逆變器輸出端口電壓的控制策略。由于在工程上，處理d軸問題時(shí)，可以忽略q軸對(duì)其耦合的影響；在處理q軸問題時(shí)，可以忽略d軸對(duì)其耦合的影響。為后續(xù)建模簡(jiǎn)便，本忽略d軸和q軸之間的相互耦合影響并給出相應(yīng)的電壓電流環(huán)控制框圖，如圖2所示[5-7]。

2 系統(tǒng)受控源等效電路模型

考慮到功率環(huán)中低通濾波器使得功率環(huán)的帶寬遠(yuǎn)小于電壓電流內(nèi)環(huán)的帶寬，因此在建立基于下垂控制逆變器等效電路的數(shù)學(xué)模型時(shí)，可以忽略功率環(huán)的影響，即認(rèn)為功率環(huán)輸出參考值恒定不變。對(duì)電壓電流環(huán)控制框圖進(jìn)行等效變換，變換過程如圖3所示。將圖3(a)中的逆變側(cè)電流和電容電壓的反饋點(diǎn)前移可以得出圖3(b)，再將輸出電流的反饋點(diǎn)前移，同時(shí)求出內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)可以得出圖3(c)，最后求出圖3(c)的內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)并將輸出電壓反饋點(diǎn)前移即可得到圖3(d)的等效框圖。

由圖3的等效變換結(jié)果可得：

其中，

圖2 單逆變器電壓電流環(huán)控制框圖

圖3 電壓電流控制框圖等效變換

圖4 單逆變器受控源等效電路

3 系統(tǒng)等效電壓增益特性分析

在逆變器離網(wǎng)帶載運(yùn)行時(shí)，負(fù)載對(duì)輸出電壓的影響可以看成是負(fù)載電流的擾動(dòng)，該擾動(dòng)在逆變器輸出阻抗Zo(S)和傳輸線阻抗Zline(S)上產(chǎn)生一定的壓降，導(dǎo)致逆變器在母線點(diǎn)的實(shí)際電壓低于電壓環(huán)的參考值。在GCuo(S)和GCi1(S)均為PI控制時(shí)，等效電壓增益為

在電壓和電流控制器參數(shù)變化的情況下，離網(wǎng)逆變器等效電壓增益μ的頻率特性分析如圖5所示，特性分析過程中，L1=2 mH、rL1=0.1 mΩ、L2=0.6 mH、rL2=1 mΩ、C=20 μF。

圖5(a)中，Kcp的取值分別為0.1、0.5、1和5，在Kcp=0.1時(shí)，電壓增益在6 660 Hz頻率處為0.276 dB，整體跟隨特性較好；但隨著Kcp值的增加，增益幅頻特性出現(xiàn)的峰值逐漸增加，在Kcp=5時(shí)，達(dá)到22.1 dB，并且處于25 500 Hz頻率處；Kcp值的增加過程中增益峰值點(diǎn)向高頻段偏移，對(duì)高頻諧波電壓進(jìn)行了放大，降低了電能質(zhì)量，甚至破壞了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖5(b)中，Kci的取值分別為10、200、500和1 000，在Kci=10時(shí)，電壓增益在6 120 Hz頻率處幅值為32.2 dB，增益幅頻特性出現(xiàn)的峰值高，且在低頻段電壓增益特性變差；隨著Kci值的增加，峰值逐漸減小，在Kci=1 000時(shí)，為1.35 dB。在Kci的取值變化過程中，峰值頻率點(diǎn)未發(fā)生偏移，低頻段電壓增益特性變好。圖5(c)中，Kvp的取值分別為0.1、1、5和10，在Kvp=0.1時(shí)，電壓增益在311 Hz和5 030 Hz頻率附近處形成增益幅頻特性的峰值分別為13.2 dB和11.9 dB；隨著Kvp值的增加，在311 Hz頻率附近的峰值逐漸減小至0 dB，但高頻段的峰值增加且往高頻方向偏移，在Kvp=10時(shí)，峰值點(diǎn)位于12 300 Hz處且為16.9 dB。圖5(d)中，Kvi的取值分別為10、100、1 000和2 000，電壓增益特性幾乎不發(fā)生變化。綜合以上分析得出，在本文硬件參數(shù)條件下，當(dāng)Kcp在0.1附近取值，Kci在800至1 000范圍內(nèi)取值，Kvp在10附近取值時(shí)，可以得到較好的電壓增益特性。依據(jù)本文的分析方法在其他具體的實(shí)例應(yīng)用中同樣可以選擇出合適的控制參數(shù)，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和并網(wǎng)電能質(zhì)量[8]。

4 結(jié)論

分布發(fā)電技術(shù)目前正在大規(guī)模應(yīng)用，交流微網(wǎng)系統(tǒng)是其典型應(yīng)用方案，微網(wǎng)逆變器作為分布式電源輸出接口裝置，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸出電能質(zhì)量起關(guān)鍵性作用。本文在分析交流微網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器控制策略的基礎(chǔ)上，給出了微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)受控源等效電路模型，基于模型分析逆變器在電壓和電流控制器參數(shù)變化的情況下電壓增益特性，為微網(wǎng)系統(tǒng)中的逆變器控制參數(shù)的選擇提供了參考依據(jù)。

圖5 電壓電流控制參數(shù)變化時(shí)逆變器等效電壓增益μ頻率特性