新能源并網變換器優化控制研究

甘肅建投水利水電有限公司 吳 鵬

引言

隨著煤炭等礦產資源的過度開發，在電力系統供電中出現資源枯竭的狀態，并且在大量燃燒煤炭資源的基礎上，生態環境問題越來越嚴重，各國展開了對新能源的應用研究[1]。我國在新能源領域的種類較多，以風力和光伏發電為主的發電站規模，在世界范圍內均占巨大比重，極大地緩解了能源短缺等問題。在新能源并網過程中需要大量電子設備，導致線路呈現電子化，內置的變換器存在大量交流諧波，出現不對等電壓和電流現象[2]。

針對并網運行的不平衡電壓電流狀態，提出了對并網變換器的優化控制方法，主要是通過對過流現象進行限流策略完成電壓分配，對集中在并網運行中的不同相電流進行約束。但由于新能源設備均具有儲能能力，在對變換器進行限流控制時，并不能全面地對指令目標進行多角度協調，導致成本過高[3]。

其次在儲能設備中能耗耗盡，并網變換器仍以限流電流進行運行，則會出現電壓不平衡現象，發生低電流過流隱患，縮短變換器的使用壽命。因此必須盡快解決新能源并網運行時變換器的有功輸出電壓電流，使得變換器兩側的交直流電在標準范圍內，擬補傳統優化控制方法的過流問題[4]。

電網電壓的平衡影響并網變換器的穩定運行，傳統控制方法主要是將電流抑制在一定范圍，而限流會影響并網的有功電壓輸出，在持續低壓狀態下變換器會造成電網供能不足，為此，研究新能源并網變換器優化控制方法。構建計及電流的物理優化模型，預測雙零矢量電流優化控制并網變換器，完成方法的設計。

本文基于此研究新能源并網變換器的優化控制方法，保證并網變換器同時具備低壓穿越和高壓運行的兩個能力，在注入有功電壓的情況下能夠對電力系統的運行不造成影響，提出更加科學的理論指導。實驗結果表明：以運行8小時狀態下的并網變換器為對象，通過加壓和減壓兩種方式進行測試，設計方法能夠將輸出電流控制在標準范圍內，具有實際應用意義。

1 新能源并網變換器優化控制方法

1.1 構建計及電流物理優化模型

一般情況下，并網變換器的電壓存在內外環兩側功率環，通過對兩側的電壓進行穩定控制，能夠獲取相對相位上的電流頻率，完成運算指令將外環值作為內環的輸入電流，進行參考后并入電網中，達到抑制電流過大的影響作用。為避免變換器的控制復雜性，將需要控制的并網變換器置于靜態的坐標系中，通過矩量變換轉成兩項坐標系，常用的兩項坐標中包含同步旋轉和兩項坐標系，此次以兩相的旋轉坐標為基礎，建立并網變換器的電流控制物理模型[5]。同步旋轉坐標系中交流電信號轉變為直流信號，需要簡化控制中的復雜程度，按照PID 控制器為比例積分控制，實現三相交流電三者的并聯串行，如下圖1所示。

圖1 并網變換器電流跟蹤框圖模型

根據圖中內容所示，其中比例控制器在線路中用p 來表示，則對應的參數比例增益表示為cp，積分控制器在線路中用i 來表示，則對應參數的比例增益用ci來表示，若比例控制器表示為d，則對應的參數微分增益用cd來表示。在PID 控制環節中，由于微分環節受噪聲影響，會將對應參數增強范圍過大，使得三相坐標系的穩定性較差。將微分控制環節省略，直接用PI 作為控制環節進行使用，產生的物理變化模型結構tn，表達式為：

tn=pidnnm=(cp+ci/g+cdg)nm

tn=jnm+1/h∫nmgh+snm/gs

公式中：坐標中指令電流用nref表示，實際采樣電流的數據用n 來表述，兩者存在相對誤差表示為nm，通過PID 控制器進行觀察，控制后產生的采樣流量數據格式表示為pidnnm，在物理阻抗過程中電阻j 的抑制范圍cp對應領域模型j，電容h 的抑制范圍ci/g 對應領域模型1/gh，電感s 的抑制范圍cdg 對應領域模型gs。

將得到的電流按照電路等效抗阻形式進行串聯，組成三相電流通過的等價關系，完成三個系數之間的模型對偶關系[6]。根據控制器本身的抗阻特性看，電流誤差在經過控制器時能夠產生電壓信號，在電壓外環中電壓信號經過，即可得到此時對應的誤差電流信號，進行雙零矢量的電壓和電流預測即可。

1.2 預測雙零矢量電流控制并網變換器

針對電壓內環和外環的不同響應程度，以構建計及電流物理優化模型為基礎，保證在相對時間尺度上電流數值接近和重合，使其在相差兩個數量級的范圍下，電流環有足夠的響應時間。電壓外環的電流響應速度常態下，與變換器的暫態響應速度接近，內環電流的響應速度要小于暫態響應，對兩者進行合理設置保證優化控制中，不會出現不同的反應尺度[7]。

為平衡不同流相的電壓和電流，采用雙零矢量的控制算法進行預測，對三相的開關狀態進行確定，主要根據參考電壓和電流中的一相狀態，進行價值函數數值對其余兩相開關狀態預測，從而找到三相參考電壓中的最大值和最小值。將剩余兩相的參考電壓和電流，建立相對值比較矢量框架，利用價值函數對其兩端的輸出狀態進行選擇，具體控制預測框架，如下圖2所示。

圖2 三相并網變換器數值預測控制框圖

根據圖2中內容所示，將兩組相參考電流和電壓的絕對值進行比較，參考電流中絕對值較大的為首先確定的開關狀態。當該項的參考電壓為正相時，則表示上路的兩路相開關暢通，否則在負相時表示下路連相的開關暢通，能夠在三條不同走向的線路中選擇最優的控制方案，進行并行變壓器的優化控制。為減少開關次數進行上述框架優化，不同于當前價值函數選定的矢量零時狀態，對選擇矢量過程利用不等式進行模擬，表達式為：

Zw(a-1)+Zq(a-1)+Zp(a-1)＜2

公式中：不同開關狀態下的三相輸出電流用a來表示，上期階段的輸出電流用a-1表示，每個采集階段的周期內各個開關的狀態用Z 來表示，三個線路的各自電流分別為Zw和Zq以及Zp。在進行上一周期的電流變換中，若存在有零相或者一相的開關通路，則可以直接切換到另外兩路。減少變換器的開關次數，達到輸出電流的有效控制[8]。至此，在構建計及電流物理優化模型基礎上，利用三相并網的初始接入電壓，進行雙零矢量的電流預測，完成新能源并網變換器優化控制方法設計。

2 實驗結果分析

為驗證此次設計的方法具有應用價值，能夠在新能源并網變換器運行時，起到優化控制的實際效果，采用實驗測試的方法進行模擬。選擇某省并行電網中120kVA 的變換器作為測試對象，在MATLAB 測試平臺中模擬主電路運行環境，控制電路在其上方進行跟蹤。為保證實驗的準確性，在對并網電流進行增壓或者減壓時，其電流波動畸變要設計在允許范圍內。對選擇的變換器運行參數進行統計，按照電網工作連續一周運行8小時的狀態為例，具體參數值如下：變換器功率120kVA、側網線電壓400V、直流側網母線電壓680V、并網頻率80Hz、開關頻率6Hz。

根據以上參數所示，在對正常運行狀態的變換器進行控制，由于電壓和電流屬于雙向變化，當一方變化時另一方會產生變化。分別對并網運行的電壓進行加壓和減壓測策略，電壓過大時變換器的流量隨之增加，超過200A 時并網線路出現故障，電壓減少時變換器的流量隨之減小，當低于120A 時電能供應不足造成斷電。

在引入兩組傳統控制方法的基礎上，對增壓和減壓狀態的并網線路，分別優化線路中變換器的電流，正常電流輸出狀態在140A～180A 為標準，能夠保持平穩運行超過12小時。并網中初始的線路電壓為100kV，對應的電流大小為150A，設置每小時的運行電壓，在增加10kV 時電流會增長10A 為變化規律，在第4小時和第6小時進行加壓和減壓，電壓比值分別為80kV。將本文方法和傳統方法分別接入至線路中，進行優化控制，具體結果如下圖3所示。

圖3 增壓與減壓狀態下電流控制對比

根據圖3中內容所示，在對并網線路增加80kV壓力時，線路的電流會增加80A，此時運行狀態下電流變為230A，會超過額定范圍引起故障，而線路減少80kV 壓力時，運行狀態下的電流變為50A，不足以維持并網供應電能。

綜合控制結果來看：兩組傳統方法僅能在電流超過200A 后進行控制，若電壓持續不降會造成電力故障，且控制額定值較低，當線路減壓狀態時沒有明顯變化。而本文方法的應用下，無論是增壓狀態還是減壓狀態，均能夠將電流控制在標準輸出值，說明具有實際應用價值。

3 結語

在分析新能源并網的線路運行狀態下，對其變換器的兩側電壓和電流進行預測，以計量電流的物理模型為基礎，對產生的濾波功率進行補償，完成并網運行狀態下對變換器的優化控制方法設計。實驗結果表明：在本文方法應用下，能夠對線路中的增壓和減壓狀態，進行有效控制，保證輸出電流控制在合理范圍內。

但由于本人時間有限，在測試過程中只能對電壓這一環節進行驗證，所得結果具有一定偏差性。后續研究過程中會針對不同方面，進行更深層次的對比分析，為并網運行的穩定性提供更科學的理論支持。