弱電網下基于權重因子的并網變流器前饋控制研究

羅廷安

（攀鋼礦業技改設備部，四川 攀枝花 617063）

根據電網公司光伏電站接入電網技術相關規定，對并網變流器的電網阻抗適應能力進行研究，以改善并網變流器的氣動性能，將電網電壓前饋引入電流正反饋通路中，僅僅圍繞在弱電網下并網變流器的前饋控制問題展開研究，分析在弱電網下，電網電壓前饋對系統所帶來的影響，提出一種關于電網阻抗的前饋控制策略，根據電網阻抗值對其前饋控制值進行修改，消除并網電流對前饋電壓的影響。

1 模型建立

弱電網下并網主流器的電路控制原理如圖1。

圖1 弱電網下并網變流器主電路控制原理結構圖

直流側電壓Udc；交流側電壓uinv；電網電壓ug；并網濾波電感L；等值電阻RL。

根據圖1，得到各個電網之間的關系：

upcc表示公共并網點電壓；Lg表示電網電感；iL表示并網電流。

2 電網阻抗適應能力分析

圖2 重復控制器結構圖

電流調節器與并網電流的控制性能有直接的聯系，目前應用較為廣泛的調節器有PI、諧振等，PI 調節器在自然坐標系中無法實現實時跟蹤；諧振調節器可以進行無靜差跟蹤，在實現跟蹤之前，要保證系統對電網電壓諧波造成一定的抑制效果，讓多個諧振調節器發生并聯，但是這種算法比較復雜。基于內模原理的重復控制器的算法簡單，也可以進行無靜差跟蹤，在并網變流器的控制中起到了一定的應用效果。在弱電網的條件下，經常會出現比較豐富的電網電壓背景諧波，電流調節器與重復控制器結合下的結構控制圖如圖2。

E（z）表示并網電流誤差；C（z）表示控制量；kp 表示增益；q（z）表示跟蹤誤差，取值越接近1 則誤差越小，但是穩定性較差。K 表示因子，主要用于進行補償數字控制。數字控制系統具有離散特點，采用雙線性變換法得到域表達式，得到并網電流的誤差傳遞關系為：

根據公式得到并網電流的誤差傳遞框架結構，如圖3。

圖3 并網電流的誤差傳遞框架

要想讓系統的誤差能夠得到收斂，需要讓圖3 中的各個部分保持穩定，根據上述表達式可知，由于q（z）設置為小于1 的數值，在周期延時時不會對其他部分造成影響，也不會造成系統失穩。圖3 中，T3 是負反饋環節，采用根軌跡的研究方式，使該階段可以保證一定的穩定性，而T5 是一個正反饋環節，階數較高，根據周期延時的環節，采用跟軌跡的分析方式確定其復雜性。根據小增益定理可以得到T5 的穩定性條件，需要滿足1的條件。短路比表示為電網短路容量與裝置額定容量之間的關系，可以直接反映出電網強度的值，如果短路比小，說明電網越弱。根據并網變換器的參數，將對應的電網電阻值設置為0.7mH，對傳統電網電壓前饋的電網阻抗適應能力進行重點分析，并根據上述的參數推導得到特定的方程。

3 基于權重因子的并網變流器前饋控制分析

本文研究的重點就是基于權重因子的并網變流器的前饋控制策略分析。

圖4 不同權重因子下變流器的最大電網電感

wf表示前饋權重因子。基于權重因子的并網變流器前饋控制與傳統的電網電壓前饋不同，基于權重因子的前饋控制不會直接將采集到的電壓作為前饋量，而是將獲取的其他電壓作為前饋量，為了保證前饋通道中的信號得到衰減，以達到提高系統穩定性的目的，權重因子的正確選擇十分重要。對變流器的電網感性阻抗適應能力進行改善，可以獲取前饋對裝置啟動性能的改善，如圖4。權重因子越小，則電網感性的阻抗適應效果越強，正是因為權重因子小，說明前饋電壓在并網點電壓的所占比例也就越小，造成前饋對裝置的性能改善效果較差，因此，在選擇權重因子時要充分考慮到系統的穩定性，為了滿足穩定性工作的相關要求，可以將前饋權重因子設置為0.7，最大化地保證系統的穩定運行。

4 并網變流器的控制策略分析

4.1 基于電路前饋解耦的PWM 控制

在數學模型的基礎上，兩相dq 坐標系下的耦合明顯減少，為了更好地對并網逆變器進行控制，減小電網波動對電路造成的影響，可以使用電流前饋解耦控制策略。為了對控制原理圖進行深入的分析，需要對控制算法進行分析，對有功和無功控制策略進行推到，得到有功電流的控制算法為：

圖5 有功電流數學模型框架圖

id表示有功電流。根據公式得到有功電流的數學模型圖例，如圖5。

無功電流的控制算法為：

iq表示無功電流。

根據公式得到無功電流的數學模型圖例，如圖6。

圖6 無功電流數學模型框架圖

4.2 PI 調節器

對并網逆變器的靜止坐標進行變換的主要目的就是為了更好地設計PI 調節器，通過變換使耦合交流轉換為直流，三相轉換為兩相。鎖相環在d 軸和q 軸分別進行電壓空間矢量合成與磁鏈矢量的合成。因此，對有功和無功進行解耦控制時需要對有功和無功進行獨立設置。在實際的應用中，對PI 參數進行調節，需要充分考慮濾波器的實際參數值，并根據其特性進行適當的調節，通過反復操作直到系統達到穩定。

5 仿真分析

為了驗證上文中關于權重因子的電網電壓前饋控制策略是否有效，在plecs 環境下搭建弱電網下的仿真模型，對其參數進行描述。當變流器為0.31mH 時可以穩定工作，當超過0.31mH 時，變流器會發生振動，導致系統出現不穩定的情況，當變流器進入不穩定的狀態時，輸出的電流頻譜的分析結果與理論分析的結果一致。不管是在0.33mH 還是0.7mH，并網變流器都可以安全穩定地運行，驗證了控制策略的有效性。

6 結語

建立弱電網下電網電壓前饋系統的數學模型，并對傳統的電網電壓前饋并網變壓器的運行效果以及穩定性功能進行了研究，針對傳統電網電壓前饋導致系統出現的適應能力差的問題，提出了一種關于權重因子的前饋控制策略，引入前重因子對前饋電壓進行分析，保證并網變流器在弱電網下的穩定性，從而保證前饋控制的電壓擾動，通過搭建的系統仿真模型驗證該控制策略的有效性。仿真結果表明，基于權重因子的電網電壓前饋控制能夠有效地提高系統的穩定性，增強并網變流器在實際運行中的適應能力。