配電網(wǎng)中分布式發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)合并網(wǎng)控制方法

夏向陽，徐 剛，程莎莎，張 琦

(長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長沙 湖南 410114)

0 引言

隨著不可再生能源的過度開采和消耗，生態(tài)環(huán)境惡化的加劇，太陽能、風(fēng)能以及燃料電池等作為新型清潔的能源受到了廣泛的關(guān)注，利用新能源發(fā)電的分布式發(fā)電技術(shù)成為全球能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。并網(wǎng)逆變器作為可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備［1～3］，其控制性能直接影響到分布式發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量，所以新能源分布式發(fā)電的一個研究熱點是逆變器并網(wǎng)控制技術(shù)［4～5］。由于分布式發(fā)電系統(tǒng)的輸出不具有同步發(fā)電機(jī)那樣的外特性曲線，所以對其控制性能要求比較高。光伏并網(wǎng)逆變器的電流控制方法主要分為直接電流控制和間接電流控制，間接電流控制相對簡單，不需要電流反饋;直接電流控制需要電流反饋。但是間接電流控制的電流動態(tài)響應(yīng)不夠快，且對系統(tǒng)參數(shù)敏感，經(jīng)常用于對動態(tài)響應(yīng)要求不高且控制簡單的場合。而直接電流控制則可以得到高品質(zhì)的電流響應(yīng)，在要求比較高的場合得到廣泛應(yīng)用。在直接電流控制中，有電流滯環(huán)控制、空間矢量控制、電流預(yù)測控制、PI 控制和比例諧振控制［6～9］。電流滯環(huán)控制，控制原理簡單并具有較好的動態(tài)性能，但開關(guān)頻率受滯環(huán)寬度影響且不固定，濾波電路難以控制;電流預(yù)測控制方法是建立在對象精確地數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，當(dāng)對象的參數(shù)發(fā)生變化，它的控制性能也會發(fā)生變化;PI 控制設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)并可以消除直流穩(wěn)態(tài)誤差，但是跟蹤交流電流卻存在穩(wěn)態(tài)誤差且響應(yīng)速度較慢［10～12］。綜上所述，本文提出一種基于比例諧振(PR)控制的新型并網(wǎng)控制方法，該方法可以實現(xiàn)對電流的快速零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。使光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在輸出用功的同時可以實現(xiàn)對本地負(fù)載的無功補(bǔ)償和有源濾波功能。光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)目前發(fā)展較快，本文以光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為例來進(jìn)行研究。

1 單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文以單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。整個系統(tǒng)主要由光伏陣列、升壓 (Boost)電路、逆變電路、LC 濾波單元、本地負(fù)載、驅(qū)動電路以及控制系統(tǒng)構(gòu)成。Cdc為并網(wǎng)逆變系統(tǒng)直流側(cè)儲能電容，作用是濾波和穩(wěn)壓，保證向逆變單元輸送高品質(zhì)的直流電。LC 濾波單元由電感Ls和電容Cs組成，作用是為了濾除逆變器輸出端的高頻諧波;us為電網(wǎng)電壓，ig為注入電網(wǎng)的電流。由于光伏輸出電壓較低，Boost 電路將光伏輸出的較低電壓抬升，通過最大功率跟蹤MPPT 算法將光伏能量傳遞到逆變單元，逆變單元通過并網(wǎng)控制將光伏能量饋入到電網(wǎng)。

圖1 單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)框圖Fig.1 Singlep－h(huán)ase photovoltaic grid system block diagram

2 基于PR 控制的新型控制方法研究

2.1 系統(tǒng)模型分析

考慮到逆變器的開關(guān)頻率要比電網(wǎng)頻率高很多，可以忽略逆變器開關(guān)管動作時對整個系統(tǒng)的影響，可以把逆變單元近似等效成增益環(huán)節(jié)K。

圖2 中，G (s)是系統(tǒng)控制器的傳遞函數(shù)，R 是串聯(lián)等效電阻，ugrid是電網(wǎng)電壓，Iref為并網(wǎng)電流參考信號。

圖2 單相并網(wǎng)系統(tǒng)的控制模型Fig.2 Single－phase grid control model of the system

由圖2 可以推導(dǎo)出并網(wǎng)逆變系統(tǒng)輸出電流的表達(dá)式:

2.2 PR 控制器分析

PI 控制器傳遞函數(shù)為

PR 控制器傳遞函數(shù)為

目前最常用的控制方法是PI 控制，PI 控制簡單實用且可靠。但是缺點是PI 控制不能保證優(yōu)化電能的質(zhì)量和速度。而PR 控制器可以通過對參考信號的無差跟蹤實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差。在實際系統(tǒng)中，PR 控制器也存在一些問題，第一是對模擬系統(tǒng)元器件的參數(shù)精度和數(shù)字系統(tǒng)精度的要求太高，不易實現(xiàn)。第二是PR 控制器在基頻處增益無限大，而在非基頻處的增益卻非常小，如果電網(wǎng)頻率發(fā)生偏移，將不能有效地抑制電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波。因此，本文采用一種準(zhǔn)PR 諧振控制器，這種控制器在保持PR 控制器的高增益的同時，還可以減小電網(wǎng)頻率偏移對逆變器輸出電流的影響，其傳遞函數(shù)為

式中:ω0為逆變器輸出基波頻率，ωc，kp，kR為控制器的3 個參數(shù)。

采樣雙線性變換對準(zhǔn)諧振控制的傳遞函數(shù)進(jìn)行離散化。假設(shè)

將式(5)代入式(4):

2.3 電壓前饋控制

由于并網(wǎng)過程中電網(wǎng)系統(tǒng)中也含有較多的工頻附近的諧波，如基波周圍的3，5，7 次諧波，這些諧波的存在嚴(yán)重干擾逆變器的控制系統(tǒng)的正常工作，進(jìn)而威脅并網(wǎng)逆變器的安全運行，因此本文在之前研究的基礎(chǔ)上引入了電網(wǎng)電壓前饋控制，用來限制電網(wǎng)波動對并網(wǎng)逆變器的影響。應(yīng)用電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償單元的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，Gf(s)為電壓前饋環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)。

根據(jù)圖3 可得輸出電流為

圖3 帶電壓前饋控制的系統(tǒng)模型Fig.3 With voltage feedforward control system model

當(dāng)Gf(s)=1/K 時，式(3)變?yōu)?/p>

由此可知，此系統(tǒng)可以有效提高抗電網(wǎng)干擾的能力。

2.4 基于PR 控制的復(fù)合控制方法

目前分布式發(fā)電發(fā)展速度很快，許多微電網(wǎng)在滿足本地負(fù)載的同時還向電網(wǎng)供電，但是由于一些本地負(fù)載的不穩(wěn)定性，給并網(wǎng)逆變器的設(shè)計帶來很大挑戰(zhàn)，因此，本文提出一種把PI 控制和PR 控制相結(jié)合的多用途型并網(wǎng)逆變器控制方法，如果本地負(fù)載消耗大量無功且諧波很大時，使用PR 控制器產(chǎn)生無功和諧波補(bǔ)償電流;再通過PI控制器實現(xiàn)光伏逆變器并網(wǎng)控制，采用這樣的控制方法，將大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和改善電能質(zhì)量。

通過采樣電路分別采集I0和IL兩路電流信號，I0信號和并網(wǎng)電流參考信號Iref的差值送入PI控制器，利用PI 控制的簡單可靠快速性進(jìn)行并網(wǎng)控制，穩(wěn)定的向電網(wǎng)輸送電能;IL的信號和自己的基波信號的差值送入準(zhǔn)PR 控制器，利用準(zhǔn)PR控制器的零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤特性，快速地對本地負(fù)載的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償;再利用電壓前饋控制抵抗電網(wǎng)電壓波動的影響，保證逆變器工作的穩(wěn)定性和向電網(wǎng)輸送標(biāo)準(zhǔn)的正弦波?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖4 所示，I 是并網(wǎng)逆變器的輸出電流，IL是本地負(fù)載電流。

3 仿真與試驗

圖4 復(fù)合控制原理圖Fig.4 Composite control principle diagram

本文采用Matlab/Simulink 軟件對上述所提的新型復(fù)合控制方法進(jìn)行仿真，仿真的檢測方法采用基于ip－ iq算法的無延時單相無功電流檢測方法。為驗證所提出的復(fù)合控制策略的可行性，搭建了基于DSP (320F2812)芯片的試驗平臺。首先驗證無功補(bǔ)償能力，把非線性負(fù)載設(shè)為感性，ZL為30.5 +j32.7 Ω，檢測本文所提的復(fù)合控制方法的無功補(bǔ)償能力。圖5，6 是并網(wǎng)逆變器輸出時功率因數(shù)為1 和不為1 時的電流電壓波形。

圖5 功率因數(shù)為1Fig.5 The power factor of 1

圖6 功率因數(shù)不為1Fig.6 The power factor isn't 1

圖6 中逆變器輸出功率因數(shù)不為1，說明本文所提控制方法具有無功補(bǔ)償?shù)哪芰Α?/p>

其次再驗證諧波抑制的效果，考慮本地非線性負(fù)載為消耗大量無功和產(chǎn)生以5，7 次諧波為主的諧波源時的情況。設(shè)置PR 控制器的參數(shù)ω=6ω0，ω0=100π rad/s，kp=4，kR=3.5，ωc=3.5，

K=400。圖7 為采用復(fù)合控制的輸出電流圖。圖8 為傳統(tǒng)PI 控制的輸出電流圖。用本文提及的方法與采用傳統(tǒng)PI 控制方法的效果作比較。

圖7 采用復(fù)合控制的輸出電流Fig.7 Using compound control output current

圖8 傳統(tǒng)PI 控制的輸出電流Fig.8 Output current of conventional PI control

傳統(tǒng)PI 控制的輸出電流的總諧波畸變率(THD)大于7%，而采用本文提出的復(fù)合控制方法能把電流諧波畸變率(THD)控制在4%以內(nèi)，仿真結(jié)果驗證了PR 準(zhǔn)諧振控制器對6 次諧波和無功的補(bǔ)償作用。由此可得出本復(fù)合控制方法的有效性。

4 結(jié)論

本文提出把傳統(tǒng)PI 控制和準(zhǔn)諧振控制相結(jié)合的復(fù)合控制方法，應(yīng)用于分布式發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器上，可以實現(xiàn)對本地負(fù)載的快速無功補(bǔ)償和諧波抑制，穩(wěn)定地向電網(wǎng)輸送潔凈的電能。尤其對一些特定的非線性本地負(fù)載，采用本文提出的控制方法，將節(jié)省資源，提高經(jīng)濟(jì)效益，在未來的智能電網(wǎng)的發(fā)展具有一定意義。通過仿真軟件和搭建試驗平臺驗證本控制方法的有效性和可行性。

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