分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的無功控制策略①

李 晶

(沈陽工程學(xué)院電氣工程系， 沈陽 110136)

分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的無功控制策略①

李 晶

(沈陽工程學(xué)院電氣工程系， 沈陽 110136)

通過研究分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的無功控制策略，建立了三相電壓型并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而針對有功、無功獨(dú)立調(diào)節(jié)的要求，提出了基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的同步PI電流控制的控制方案，它由兩個(gè)雙環(huán)控制模型構(gòu)成，采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)，電壓外環(huán)的作用主要是控制逆變器直流側(cè)電壓，電流內(nèi)環(huán)按電壓外環(huán)的輸出的電流指令進(jìn)行電流控制。通過仿真和實(shí)驗(yàn)分析表明，所提出的結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)無功獨(dú)立控制，還能提高并網(wǎng)電流質(zhì)量。

分布式發(fā)電； 無功控制； 逆變器； 同步PI電流控制

分布式發(fā)電DG(distributed generation)指的是直接接入配電網(wǎng)或用戶側(cè)的發(fā)電系統(tǒng)，功率等級一般在幾十千瓦到幾十兆瓦之間。由于DG具有投資少、見效快、靈活可靠的優(yōu)點(diǎn)并能避免電網(wǎng)斷電損失，因而受到越來越多的重視[1～3]。

鑒于配電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行的現(xiàn)狀，IEEE建議中小容量的DG接入電網(wǎng)后，應(yīng)避免主動參與電壓控制[4]。但是分布式發(fā)電系統(tǒng)的引入，必然會改變配電網(wǎng)的潮流分布，從而對節(jié)點(diǎn)電壓、網(wǎng)絡(luò)損耗等產(chǎn)生重大影響，同時(shí)對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和電能質(zhì)量也會有影響[5]。因此，研究大量DG接入配電網(wǎng)后對潮流，電壓，保護(hù)及電能質(zhì)量等方面的影響及控制措施，以及含有DG的配電網(wǎng)的電壓優(yōu)化控制，成為近年來的研究熱點(diǎn)。

三相電壓源逆變器VSI(voltage source inverter)被用做分布式發(fā)電并網(wǎng)，除了傳送有功功率外，同時(shí)還具備一定無功補(bǔ)償、有源濾波等功能。由于分布式發(fā)電通常不能調(diào)節(jié)耦合點(diǎn)PCC(point of common coupling)的電壓，因此并網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量主要取決于輸出電流的質(zhì)量。為了能夠給電網(wǎng)提供高質(zhì)量的電能，并網(wǎng)逆變器的電流控制發(fā)揮了重要的作用[6]。

用于VSI逆變器的電流控制策略已有很多報(bào)道[6～9]。電流控制策略一般有著相同的結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)電流反饋的內(nèi)環(huán)，以實(shí)現(xiàn)電流誤差補(bǔ)償和脈寬調(diào)制PWM(pulse width modulation)。在現(xiàn)有電流控制策略中，基于電壓空間矢量調(diào)制的電流控制器被廣泛應(yīng)用，它是一種線性的控制策略，并且能夠有效的分離電流誤差補(bǔ)償和PWM部分[10]。但該策略是一種開環(huán)結(jié)構(gòu)的電壓型控制，當(dāng)對于電網(wǎng)電壓的波動以及分布式發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤的要求而設(shè)定并網(wǎng)電流參考時(shí)，此類控制器往往無法滿足分布式發(fā)電并網(wǎng)的要求。另外為了對電力系統(tǒng)無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，分布式發(fā)電希望能夠滿足對系統(tǒng)有功功率和無功功率的獨(dú)立解耦控制，而該方法還無法完全實(shí)現(xiàn)對有功、無功獨(dú)立調(diào)節(jié)。

本文建立了分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型，基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的同步PI電流控制，研究了其有功、無功解耦控制方法，它由兩個(gè)雙環(huán)控制模型構(gòu)成，采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)，電壓外環(huán)主要作用是控制逆變器直流側(cè)電壓，電流內(nèi)環(huán)主要作用是按電壓外環(huán)的輸出的電流指令進(jìn)行電流控制。這種結(jié)構(gòu)可以較大程度改善并網(wǎng)電流的波形質(zhì)量，且在系統(tǒng)給定參數(shù)發(fā)生改變的情況下，可以使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性。文中最后進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了該方案的有效性。

1 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q)下并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型

三相靜止對稱坐標(biāo)系中的一般數(shù)學(xué)模型，交流側(cè)均為時(shí)變交流量，不利于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文采取等量變換的方式將PWM逆變器三相對稱靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成在兩相垂直靜止坐標(biāo)系(α-β)下。兩坐標(biāo)系的位置關(guān)系見圖1。

圖1 三相靜止坐標(biāo)系(a-b-c) 到兩相垂直靜止坐標(biāo)系(α-β)變換

若X與α軸間相角為θ，則經(jīng)過變換以后，矢量X從(a-b-c)坐標(biāo)系到(α-β)坐標(biāo)系下的變換為

(1)

兩項(xiàng)靜止坐標(biāo)系到兩項(xiàng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣為

(2)

聯(lián)合式(1)和式(2)，可以得到

(3)

將一般數(shù)學(xué)模型按照式(1)進(jìn)行變換，從而得到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q)中的數(shù)學(xué)模型，其模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(4)

(5)

(6)

圖2 兩相靜止坐標(biāo)系下PWM整流器數(shù)學(xué)模型

基于以上對三相電壓型PWM逆變器d-q模型的建立，可構(gòu)建雙環(huán)三相PWM電壓型整流器，其基本控制思想是：由直流電壓控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生輸入電流參考幅值，由鎖相環(huán)節(jié)檢測電壓源電壓相位，根據(jù)輸入功率因數(shù)要求進(jìn)行移相后得到輸入電流的參考相位，由電流參考幅值和參考相位結(jié)合得到參考電流，然后通過控制開關(guān)器件的通斷改變?nèi)鄻蚪涣鱾?cè)電壓，迫使輸入電流跟隨其參考值變化，從而起到控制輸入電流波形及無功控制的目的。

2 并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 同步PI電流控制

同步PI電流控制優(yōu)點(diǎn)明顯：采用同步坐標(biāo)系下控制，可實(shí)現(xiàn)有功/無功電流解耦控制，有功/無功功率獨(dú)立調(diào)節(jié)；采用PI調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)，能夠獲得較好的動靜態(tài)特性；開關(guān)頻率固定等。同步PI電流控制原理見圖3。

圖3 同步PI電流控制原理框圖

電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)正弦波電流控制，由于采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制結(jié)構(gòu)，三相對稱的交流電網(wǎng)電壓和交流電流變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中成為直流量，因此電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)無功分量的獨(dú)立控制，將電網(wǎng)電動勢的空間矢量與q軸定向，電流內(nèi)環(huán)按電壓外環(huán)的輸出的電流指令進(jìn)行電流控制。

2.2 電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可按文獻(xiàn)[6]中典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。令vq=vdcsq，vd=vdcsd，代入式(5)和式(6)，則兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q)中的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)為

(7)

式中：ed和eq為電網(wǎng)電動勢矢量E的d、q分量；vd和vq為交流側(cè)電壓矢量V的d、q分量；id和iq為交流側(cè)電流矢量I的d、q分量。

為了消除d、q軸電流之間的耦合項(xiàng)，同步PI電流控制中常采用前饋解耦控制策略，電流環(huán)調(diào)節(jié)器采用比例積分調(diào)節(jié)器，控制方程為

(8)

(9)

令(Ki,P+Ki,I/s)=Ki,P(τis+1)/τis，得到解耦的簡化電流環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 d軸無功電流環(huán)簡化結(jié)構(gòu)

2.3 電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)電網(wǎng)電動勢矢量E定位在q軸方向時(shí)，eq=Em，ed=0。假設(shè)三相電流對稱，則三相交流電感上的瞬時(shí)功率為零，根據(jù)式(3)得到直流電壓和交流電流的關(guān)系表達(dá)式為

(10)

不考慮負(fù)載擾動，有功電流和直流電壓的傳遞函數(shù)表達(dá)式為

(11)

令PI調(diào)節(jié)器控制方程

(12)

已知電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)ωci(s)=1/(3Tss+1)，并考慮直流電壓采樣延遲(e-Tss)，可近似為1/(Tvs+1)=1/(4Tss+1)。簡化后的電壓環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 電壓環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

3 仿真和實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文所提出的無功控制策略的性能，采用Matlab Simlink仿真平臺對并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。采用的仿真參數(shù)如下：S=1.5 kVA，E=220 V，f=50 Hz，Vdc=350 V，fS=2 kHz，L=7 mH，C=560 μF。仿真模型如圖6所示。

圖6 仿真模型

圖7為整流器系統(tǒng)工作在1 kW有功功率下，調(diào)節(jié)無功功率給定得到的交流電壓電流、直流電壓和有功無功功率的仿真波形。系統(tǒng)在0.1 s時(shí)刻吸收500 var感性無功功率；在0.2 s時(shí)刻無功功率為零；在0.3 s時(shí)刻發(fā)出500 var容性無功功率。

(a) 交流電壓

(b) 交流電流

(c) 直流電壓

(d) 有功無功功率

圖8 PWM變流器的主電路圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主電路元件參數(shù)選擇見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主電路元件參數(shù)

圖9為帶負(fù)載情況下突加無功的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)。無功給定是直接由操作面板的開關(guān)控制施加的。直流負(fù)載功率為900 W，無功功率給定為650 var。圖9(a)中由無功調(diào)節(jié)引起的直流電壓波動很小，約3%左右，交流電流峰值從純有功電流5 A快速達(dá)到6 A穩(wěn)定值，輸出無功功率對總的電流值增加不大。圖9(b)反映動態(tài)過程中有功/無功電流及其給定的變化情況。d軸無功電流給定在0.25 s時(shí)刻階躍為3.4 A，無功電流快速跟隨并產(chǎn)生40%超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間為50 ms。圖中q軸有功電流在無功調(diào)節(jié)過程中同樣存在一定的波動，但幅度較小，起到提高并網(wǎng)電流質(zhì)量的作用。

(a) 直流電壓與交流電流輸出波形

(b) d軸和q軸電流輸出波形

4 結(jié)語

本文研究了分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的無功控制策略，主要建立了三相電壓型并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型，針對有功、無功獨(dú)立調(diào)節(jié)的要求，采用同步PI電流控制的控制方案，它主要由兩個(gè)雙環(huán)控制模型構(gòu)成，分別都是電流外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)。通過實(shí)時(shí)檢測并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的波動，有效設(shè)定有功電流和無功電流的參考值，能夠很好地補(bǔ)償并網(wǎng)電感電壓信號，有效地補(bǔ)償PWM的調(diào)制波信號。在此方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，采用PI同步電流控制可以很好地對無功進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)。

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ReactivePowerControlofGrid-connectedConverterinDistributedGenerationSystem

LI Jing

(Department of Electrical Engineering， Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110136, China)

With the research on reactive power control of grid-connected converter in distributed generation system, a mathematical model of voltage-source line-connected inverter was built. And for active and reactive independent regulation, a strategy with synchronous current PI control based on two phase rotation coordinate was proposed, which consists of double-loop control model, voltage for outer loop and circuit for inner. The main function of outer loop is the voltage inverter control DC side, and the inner loop is to perform current control with the current output of outer loop. Simulation and experimental results showed that the proposed strategy not only realizes independent control of reactive power, but also improve the quality of current.

distributed generation(DG)； reactive power control； inverter； synchronous current PI control

2010-03-21

2010-10-23

TM711

A

1003-8930(2011)01-0155-05

李 晶(1964-)，女，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動化。Email:lijing@sie.edu.cn