逆變器在分布式發(fā)電系統(tǒng)并網的無功控制應用

王延海，王諾

(山東省電力集團公司，山東 棗莊 277000)

1 引言

目前，集中發(fā)電，遠距離輸電和大電網互聯(lián)的電力系統(tǒng)是電能生產、輸送和分配的主要方式。容量越來越大的電網雖有其優(yōu)點，但它也存在一些弊端，主要有:(1)不能靈活跟蹤負荷的變化;(2)局部事故極易擴散。

基于以上的問題，分布式發(fā)電這種環(huán)保、高效、靈活的發(fā)電方式已經成為21世紀電力系統(tǒng)重要的研究方向，分布式電源與區(qū)域電網并聯(lián)運行的發(fā)展趨勢也越來越明顯。分布式電源并網是指分布式發(fā)電(distributed generation，DG)與區(qū)域電網建立相應的物理連接。在并網技術中，逆變接口逆變電路及其控制是核心，目前工業(yè)應用最廣泛的還是數(shù)字P I控制。

本文研究了分布式發(fā)電系統(tǒng)并網逆變器的無功控制策略。主要利用三相電壓型并網逆變器的數(shù)學模型，針對有功，無功獨立調節(jié)的要求，提出了采用同步PI電流控制的控制方案，在此方案的基礎上進行了仿真。

2 并網逆變器的控制系統(tǒng)設計

基于三相電壓型PWM逆變器dq模型，控制系統(tǒng)的設計一般采用雙環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內環(huán)。電壓外環(huán)的作用主要是控制逆變器直流側電壓，而電流內環(huán)的作用主要是按電壓外環(huán)的輸出的電流指令進行電流控制。因為我們要實現(xiàn)對無功分量的獨立控制，通常選取q軸與電網電動勢矢量E重合，這樣q軸表示無功分量參考值，d軸表示有功分量參考值。

2.1 同步PI電流控制

同步PI電流控制原理框圖見圖1。

圖1 同步PI電流控制原理框圖

電流內環(huán)實現(xiàn)網側正弦波電流控制，由于采用同步旋轉坐標系控制結構，三相對稱的交流電網電壓和交流電流變換到同步旋轉坐標系中成為直流量，因此電流內環(huán)采用PI調節(jié)器可以實現(xiàn)無靜差調節(jié)。為了實現(xiàn)對無功分量的獨立控制，將電網電動勢的空間矢量與q軸定向，則:

式中，Em為電網電動勢峰值。

三相電壓型逆變器在同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型為:

相應的，系統(tǒng)的有功功率和無功功率可以表示為:

q軸電流表示有功電流分量，d軸電流為無功電流分量。另一方面，從數(shù)學模型可以看到，dq軸存在著相互耦合關系，給控制器設計造成一定困難。采用前饋解耦控制策略，可以實現(xiàn)有功、無功電流，即三相網側有功、無功分量的獨立調節(jié)。電流dq軸分別經過各自的PI調節(jié)器以及前饋解耦控制產生三相橋臂中點電壓vd，vq，該電壓變換到兩相靜止坐標系下，經過SVPWM調制后輸出脈沖驅動整流橋各開關。

q軸電流表示有功電流分量，因此直流電壓PI調節(jié)器輸出作為電流內環(huán)的有功電流給定，控制整流器交直流兩側的有功能量的傳遞;無功電流給定可以直接作為系統(tǒng)無功給定輸入，也可以采用無功功率給定q*，通過系數(shù)變換1/eq傳遞給無功電流給定。

同步PI電流控制優(yōu)點明顯:采用同步坐標系下控制，可實現(xiàn)有功/無功電流解耦控制，有功/無功功率獨立調節(jié);采用PI調節(jié)器可以實現(xiàn)無靜差調節(jié)，能夠獲得較好的動靜態(tài)特性;開關頻率固定等。

2.2 電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設計

因為電壓環(huán)主要考慮提高對負載的抗擾能力，所以按II型系統(tǒng)設計。為減少超調，可以對給定電壓加濾波環(huán)節(jié)或者采用斜坡給定，使電壓給定變化緩慢得以解決。

當電網電動勢矢量定位在q軸方向時，eq=Em，ed=0。假設三相電流對稱，則三相交流電感上的瞬時功率為零，得到直流電壓和交流電流的關系表達式為:

進一步變換為:

由于eq和vdc的值變化不大，因此可以將3eq/2vdc用常數(shù)K表示。不考慮負載擾動，有功電流和直流電壓的傳遞函數(shù)表達式為:

令PI調節(jié)器控制方程:

圖2 電壓環(huán)控制結構圖

得到電壓開環(huán)傳遞函數(shù):

按照典型Ⅱ型系統(tǒng)設計，有

2.3 電流內環(huán)控制系統(tǒng)設計

令vq=vdcsq，vd=vdcsd，則兩相同步旋轉坐標系(d－q)中的數(shù)學模型可以表達為:

式中，ed、eq為電網電動勢矢量E?的d，q分量;vd、vq為交流側電壓矢量的d，q分量;id、iq為交流側電流矢量的d，q分量。

可以看到該數(shù)學模型是一個強耦合系統(tǒng)，即d軸電流的變化對q軸電流有影響，而q軸電流的變化對d軸電流也有影響。為了消除d、q軸電流之間的耦合項，同步PI電流控制中常采用前饋解耦控制策略，電流環(huán)調節(jié)器采用比例積分調節(jié)器，控制方程如下:

dq軸電流得到解耦:

上式說明前饋的控制算法使三相電壓型逆變器電流內環(huán)iq、id實現(xiàn)了解耦控制。由于電流內環(huán)的對稱性，下面以id為例研究電流調節(jié)器的設計?？紤]電流內環(huán)信號采樣的延遲和PWM控制的小慣性特性，已解耦的id電流內環(huán)結構如圖3所示。

圖3 d軸無功電流環(huán)結構

使PI調節(jié)器的零點抵消電流控制對象傳遞函數(shù)的極點，即τi=L/R，從而得到電流開環(huán)傳遞函數(shù):

圖4 d軸無功電流環(huán)簡化結構

按典型 I型系統(tǒng)參數(shù)整定關系，取阻尼比為0.707，得:

求解得到PI參數(shù):

電流內環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

當開關頻率足夠高，即Ts足夠小時，由于s2項系數(shù)遠小于s系數(shù)，因此s2項可以忽略，則Wci可簡化成

電流內環(huán)簡化等效傳遞函數(shù)為:

另一種情況，即當ωL＞＞R時，可令(1/R)/［(L/R)s+1］≈1/(Ls)，電流內環(huán)控制結構如圖5所示。

圖5 d軸無功電流環(huán)結構

電流開環(huán)傳遞函數(shù)為:

按典型I型設計時，與電流內環(huán)PI調節(jié)器中零點對應的時間常數(shù)τi和典型I型系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)極點對應的時間常數(shù)1.5T相比，其比值過大，所以電流內環(huán)抗干擾性不理想。但由于使用前饋控制，擾動得到改善。II型系統(tǒng)抗擾性較好，但跟隨會有大的超調。從計算參數(shù)結果上看兩者沒有大的差異，因此，在實際調試時應綜合考慮取得最佳的參數(shù)值。

3 仿真及結論

本文采用的仿真參數(shù)如下:

圖6為整流器系統(tǒng)工作在1kW有功功率下，調節(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0.1s時刻吸收500var感性無功功率;在0.2s時刻無功功率為零;在0.3s時刻發(fā)出500var容性無功功率。整個過程中交流電流、直流電壓和有功功率在無功調節(jié)過程中波動變化不大，響應速度也很快。

圖6 仿真波形

由仿真波形可以看出，使用三相電壓型并網逆變器可對有功和無功進行獨立控制，調節(jié)系統(tǒng)的無功功率，對直流電壓、有功功率及交流電流波形影響較小，并能快速恢復穩(wěn)態(tài)。

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