電流誤差信號(hào)補(bǔ)償技術(shù)在弱電并網(wǎng)穩(wěn)定控制中的應(yīng)用

福建船政交通職業(yè)學(xué)院 劉俊萍

為解決傳統(tǒng)基于零序環(huán)流控制器的控制方法在對(duì)弱電并網(wǎng)控制時(shí)，存在并網(wǎng)不穩(wěn)定問(wèn)題，開(kāi)展電流誤差信號(hào)補(bǔ)償技術(shù)在弱電并網(wǎng)穩(wěn)定控制中的應(yīng)用研究。通過(guò)計(jì)算弱電并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行電氣連接功率誤差、基于電流誤差信號(hào)補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)逆變器補(bǔ)償系數(shù)、實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)抗阻相位角穩(wěn)定控制，提出一種全新的控制方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，新的控制方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠有效降低暫態(tài)電壓，提高電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量以及運(yùn)行效率。

清潔能源在電力產(chǎn)業(yè)內(nèi)的廣泛應(yīng)用，在一定程度上為電力產(chǎn)業(yè)建設(shè)提供了新的指示方向。在調(diào)度電網(wǎng)資源的實(shí)際調(diào)度與運(yùn)行中，受到電網(wǎng)特性的影響，傳輸電流質(zhì)量與臨近端電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)受到負(fù)面干預(yù)，電網(wǎng)負(fù)載電壓中衍生了大量低次諧波，導(dǎo)致正常運(yùn)行的電網(wǎng)表現(xiàn)出弱電網(wǎng)的特征，而弱電并網(wǎng)中電流誤差問(wèn)題，也會(huì)影響終端傳輸電流質(zhì)量。在弱電并網(wǎng)持續(xù)運(yùn)行的過(guò)程中，輸出的信號(hào)濾波穩(wěn)定性將直接影響到終端電流質(zhì)量。為了更好地實(shí)現(xiàn)與此方面相關(guān)的工作，引進(jìn)電流誤差信號(hào)補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電氣交互過(guò)程中對(duì)弱電并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的有效調(diào)控。

1 弱電并網(wǎng)穩(wěn)定控制方法

1.1 計(jì)算弱電并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行電氣連接功率誤差

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)弱電并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定控制，應(yīng)當(dāng)先明確并網(wǎng)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，受到電氣連接功率的影響產(chǎn)生的弱電運(yùn)行效應(yīng)。在進(jìn)行與此方面相關(guān)研究前，進(jìn)行弱電并網(wǎng)電氣連接功率交互行為的描述。如圖1所示。

圖1 弱電并網(wǎng)電氣連接功率交互行為

圖1中：Q1、Q2、Q3、Q4分別表示為弱電并網(wǎng)在運(yùn)行中開(kāi)關(guān)的功率；Vin表示為前端輸入的直流電壓；L1、L2分別表示為弱電并網(wǎng)中逆變?cè)O(shè)備的濾波電感與電網(wǎng)側(cè)的電感；ig表示為弱電并網(wǎng)電流；PCC表示為電壓節(jié)點(diǎn)；Zgrd表示為電網(wǎng)的阻抗值；u0表示為在PCC點(diǎn)的實(shí)際電壓值；ug表示為公共電網(wǎng)電壓值；uinv表示為橋臂端輸出的直流電壓；R表示為串聯(lián)的阻尼電阻；Cf表示為電容；PLL表示為逆變器；iref表示為電流相位角度。

在完成對(duì)弱電并網(wǎng)電氣交互的描述后，應(yīng)當(dāng)明確逆變器在其中的鎖向電流相位電壓追蹤，可能受到電網(wǎng)畸變的影響，因此在本章的研究中，采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸代替鎖向電流相位電壓的描述，以此種方式對(duì)電流時(shí)域進(jìn)行描述。此過(guò)程可結(jié)合SRP-PLL方程，對(duì)電網(wǎng)小波電流信號(hào)擾動(dòng)或進(jìn)行表示。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)拉式轉(zhuǎn)換的方式，得到一個(gè)針對(duì)電網(wǎng)小波電流信號(hào)擾動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，此模型可用如下計(jì)算公式表示。

公式(1)中：TPLL(S)表示為在一個(gè)周期T內(nèi)，電網(wǎng)小波電流信號(hào)s的擾動(dòng)數(shù)學(xué)表達(dá)；k表示為拉式轉(zhuǎn)換系數(shù)；φ表示為功率因數(shù)角，計(jì)算單位表示為rad；j表示為小波信號(hào)頻率；Um表示為弱電并網(wǎng)在PCC點(diǎn)時(shí)，電流產(chǎn)生的峰值；S表示為采樣數(shù)據(jù)；ω0表示為基波角頻率，計(jì)算單位表示為rad/s。

根據(jù)弱電并網(wǎng)的數(shù)字控制時(shí)長(zhǎng)，引進(jìn)數(shù)字控制技術(shù)，結(jié)合數(shù)字化技術(shù)的特點(diǎn)，獲取采樣模型，定義TS為一個(gè)數(shù)據(jù)采樣周期，此時(shí)，可將數(shù)據(jù)處理的等效信息表示為一個(gè)零階保持階段信號(hào)，而此信號(hào)在控制器執(zhí)行程序與計(jì)算時(shí)，常出現(xiàn)滯后一拍的問(wèn)題，此時(shí)弱電并網(wǎng)在運(yùn)行中，電氣連接功率將出現(xiàn)時(shí)延。此處時(shí)延可用如下計(jì)算公式表示。

公式(2)中：Gv(s)表示為弱電并網(wǎng)在運(yùn)行中電氣連接功率的時(shí)延，為了簡(jiǎn)化上述計(jì)算過(guò)程，可在此步驟中，定義數(shù)據(jù)采樣信息為延遲函數(shù)的方式，將獲取的功率誤差進(jìn)行線(xiàn)性表達(dá)，按照線(xiàn)性表達(dá)方式，輸出對(duì)應(yīng)功率處的誤差值，以此種方式，完成對(duì)弱電并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行電氣連接功率誤差的計(jì)算。

1.2 基于電流誤差信號(hào)補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)逆變器補(bǔ)償系數(shù)

按照上述操作完成對(duì)弱電并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行電氣連接功率誤差的計(jì)算后，將其作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，結(jié)合電流誤差信號(hào)補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器補(bǔ)償系數(shù)的設(shè)計(jì)。在確定逆變器補(bǔ)償系數(shù)時(shí)，需要獲取逆變器在運(yùn)行過(guò)程中的直流電壓、輸出功率、開(kāi)關(guān)頻率、交流相電壓等參數(shù)。結(jié)合基爾霍夫電壓和電流定律，通過(guò)選取弱點(diǎn)并網(wǎng)控制過(guò)程中的狀態(tài)變量，將其作為流過(guò)濾波電感的電流，分析得出電網(wǎng)電壓。結(jié)合SCR定義，對(duì)電網(wǎng)阻抗的最大值進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

公式(3)中，Lmax表示為電網(wǎng)阻抗最大值；SCR表示為短路比系數(shù)；f表示為弱點(diǎn)并網(wǎng)頻率；V表示為弱點(diǎn)并網(wǎng)電壓。根據(jù)上述公式(3)，計(jì)算得出電網(wǎng)阻抗的最大值，明確在弱點(diǎn)并網(wǎng)的過(guò)程中電網(wǎng)阻抗的變化范圍，并針對(duì)具體某一弱點(diǎn)并網(wǎng)的特征，在電網(wǎng)最弱的情況下，根據(jù)上述公式，計(jì)算得出其電網(wǎng)阻抗。由于弱點(diǎn)并網(wǎng)當(dāng)中，逆變器的運(yùn)行穩(wěn)定主要取決于一對(duì)復(fù)極點(diǎn)，隨著及分析次數(shù)的不斷增加，當(dāng)達(dá)到一定程度后，又會(huì)逐漸向著水平方向移動(dòng)。隨著電網(wǎng)阻抗的不斷增加，一對(duì)復(fù)極點(diǎn)會(huì)逐漸呈現(xiàn)出更加明顯的上升趨勢(shì)。由于在對(duì)弱點(diǎn)并網(wǎng)穩(wěn)定控制時(shí)，需要確保所有閉環(huán)極點(diǎn)均在同一平面上，并且距離水平方向越遠(yuǎn)其穩(wěn)定性越好，因此根據(jù)這一特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)將各個(gè)復(fù)極點(diǎn)放置在特定的平面上，以此確定逆變器補(bǔ)償系數(shù)。

1.3 實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)抗阻相位角穩(wěn)定控制

在明確逆變器補(bǔ)償系數(shù)后，通過(guò)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)抗阻相位角穩(wěn)定控制，達(dá)到穩(wěn)定弱點(diǎn)并網(wǎng)的目的。根據(jù)上述論述可知，當(dāng)阻抗比的相角裕度出現(xiàn)不足的情況是，弱點(diǎn)并網(wǎng)當(dāng)中的逆變器會(huì)出現(xiàn)部分特定諧波被放大的問(wèn)題產(chǎn)生，進(jìn)而影響到弱點(diǎn)并網(wǎng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性，還會(huì)造成諧波振蕩問(wèn)題產(chǎn)生，造成更加嚴(yán)重的后果。因此，在對(duì)其進(jìn)行控制時(shí)，首先需要明確穩(wěn)定狀態(tài)下的并網(wǎng)抗阻相位角，并計(jì)算得出阻抗比在交接頻率位置上的相角裕度，其計(jì)算公式為：

公式(4)中，α表示為交接頻率位置上的相角裕度；Zg(f)表示為電網(wǎng)阻抗；argZi(f)表示為并網(wǎng)逆變器輸出阻抗；f表示為交接頻率。根據(jù)上述公式可知，通過(guò)減小電網(wǎng)阻抗Zg(f)或增大電網(wǎng)逆變器輸出阻抗的方式都能夠達(dá)到提升相角裕度的目的，因此在實(shí)際弱點(diǎn)并網(wǎng)控制過(guò)程中，根據(jù)相角裕度變化情況，通過(guò)調(diào)節(jié)電網(wǎng)阻抗和電網(wǎng)逆變器輸出阻抗的方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)抗阻相位角的穩(wěn)定控制。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果，選擇以某單相并網(wǎng)逆變器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別利用本文提出的控制方法和傳統(tǒng)基于零序環(huán)流控制器的控制方法對(duì)該單相并網(wǎng)逆變器進(jìn)行弱電并網(wǎng)穩(wěn)定控制。該單相并網(wǎng)逆變器的直流電壓為320V，電網(wǎng)電壓為220V，并網(wǎng)電流為6A，載波幅值為12V，電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中的頻率為45Hz，逆變器側(cè)電感為3.2mH。為了確保最終得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有公平和公正性，本文選擇在兩個(gè)控制方法當(dāng)中都應(yīng)用TM875-504550型號(hào)數(shù)字控制器作為其主要控制設(shè)備。

基于上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，本文選擇將暫態(tài)電壓作為實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用該指標(biāo)反映兩種控制方法的實(shí)際應(yīng)用效果。為了方便對(duì)兩種方法得出的控制結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄，并利用Excel軟件將數(shù)據(jù)繪制成如表1所示。

表1 兩種控制方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

從表1得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)弱電并網(wǎng)的穩(wěn)定控制。

結(jié)束語(yǔ)：本文引進(jìn)電流誤差信號(hào)補(bǔ)償技術(shù)，對(duì)弱電并網(wǎng)穩(wěn)定控制方法展開(kāi)設(shè)計(jì)與研究，并在完成對(duì)方法的設(shè)計(jì)后，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了此方法在實(shí)際應(yīng)用中，具有更好的控制效果，可在后期的相關(guān)研究中，嘗試將此方法投入市場(chǎng)應(yīng)用，致力于通過(guò)此種方法，提高弱電并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。