微網(wǎng)雙向變流器的解耦控制策略研究*

張繼元，舒 杰，吳志峰，王 浩

（中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

微網(wǎng)雙向變流器的解耦控制策略研究*

張繼元，舒 杰?，吳志峰，王 浩

（中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

在微電網(wǎng)中，雙向變流器作為核心組網(wǎng)裝置，起到穩(wěn)定接入點(diǎn)電壓，降低網(wǎng)損率和提高功率因數(shù)的作用。但是在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，雙向變流器是一個(gè)強(qiáng)耦合、非線性的系統(tǒng)，因此需要對(duì)其進(jìn)行解耦控制，以保證并網(wǎng)電流能夠快速無(wú)差地跟蹤給定信號(hào)。研究雙向變流器的解耦控制策略，對(duì)其在同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了推導(dǎo)和分析，在此基礎(chǔ)上采用PI控制和前饋控制相結(jié)合的解耦控制方法，將原系統(tǒng)進(jìn)行線性化解耦，消除了有功與無(wú)功電流的耦合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的解耦控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提解耦控制策略能夠降低穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差和總諧波失真，具有較好的控制性能。

微電網(wǎng)；雙向變流器；矢量解耦控制；諧波

0 引 言

近些年，隨著可再生能源的大力發(fā)展，由此出現(xiàn)的微電網(wǎng)技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視。微電網(wǎng)是一種將可再生能源、儲(chǔ)能裝置、變流器以及監(jiān)控保護(hù)裝置結(jié)合起來(lái)的區(qū)域電網(wǎng)模式，實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電的自產(chǎn)自銷，減少能量傳輸損耗[1-4]。微電網(wǎng)可以運(yùn)行在并網(wǎng)或孤島模式下，結(jié)合微電網(wǎng)的運(yùn)行控制和能量管理等關(guān)鍵技術(shù)，可以最大限度地利用可再生能源，降低由于供電間歇性導(dǎo)致對(duì)配電網(wǎng)的沖擊以及不利影響，提高供電可靠性和電能質(zhì)量。微電網(wǎng)是充分利用可再生能源的一種有效方法，隨著對(duì)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行控制、繼電保護(hù)、供電可靠性和電能質(zhì)量、安全機(jī)制與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方向研究的不斷深入，微電網(wǎng)將成為未來(lái)智能電網(wǎng)的重要組成部分。

在微電網(wǎng)中，雙向變流器作為核心組網(wǎng)裝置，控制微電網(wǎng)內(nèi)部的功率流動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定及電能質(zhì)量的提高發(fā)揮著重要作用。雙向變流器可根據(jù)實(shí)際需要，工作在整流或逆變狀態(tài)，在微電網(wǎng)功率流動(dòng)中擔(dān)任著重要的支撐和協(xié)調(diào)角色。相比于利用傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制技術(shù)（Pulse width modulation, PWM），將基波與調(diào)制波對(duì)比實(shí)現(xiàn)有差控制，空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（Space vector pulse width modulation, SVPWM）可以實(shí)現(xiàn)無(wú)差控制，降低并網(wǎng)電流諧波，提高直流利用率。

1 雙向變流器數(shù)學(xué)模型

微電網(wǎng)在并網(wǎng)模式時(shí)，通過(guò)公共連接點(diǎn)（Point of common coupling, PCC）與大電網(wǎng)相連，此時(shí)雙向變流器跨接在直流儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)之間，接受上層調(diào)度指令，運(yùn)行在整流狀態(tài)給儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，或者將多余的能量經(jīng)雙向變流器逆變回饋給大電網(wǎng)。若電網(wǎng)發(fā)生故障或者是電能質(zhì)量不能滿足本地供電要求時(shí)，微電網(wǎng)運(yùn)行在孤島模式，此時(shí)PCC點(diǎn)斷開，由雙向變流器作為功率支撐點(diǎn)，滿足本地負(fù)載需求，以提高供電可靠性。

雙向變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，直流側(cè)電容udc，雙向變流器三相橋臂輸出電壓分別為usa、usb、usc，R、L分別代表電阻和電感，電網(wǎng)電壓為ua、ub、uc，假設(shè)變流器的IGBT為理想開關(guān)器件，三相電網(wǎng)電壓平衡，且不考慮高次諧波。

圖1 雙向變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 1 Topology of bidirectional converter

ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型公式：

由于電網(wǎng)交流變量的時(shí)變性，給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大困難。因此，需要通過(guò)PARK變換，將ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的兩相d-q坐標(biāo)系，使ABC坐標(biāo)系下的交流量變換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q軸中的直流量。

PARK變換矩陣公式：

將式（2）代入式（1）中，得到d-q坐標(biāo)系下的電壓方程：

式中，ud、uq代表兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電網(wǎng)電壓的直流分量；id、iq代表d-q坐標(biāo)系下輸出電流的直流分量；usd、usq是雙向變流器橋臂端輸出的調(diào)制電壓。對(duì)式（3）進(jìn)行拉普拉斯變換，則可以得到系統(tǒng)模型，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模型框圖Fig. 2 Diagram of the system model

由式（3）和圖2可知，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，雙向變流器是一個(gè)兩輸入兩輸出的非線性耦合系統(tǒng)，輸出電流直流量相互影響，因此會(huì)對(duì)控制器的控制效果以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

要從根本上解決地名檢索中的地理空間的層次結(jié)構(gòu)特性和地名表達(dá)的模糊性，就必須結(jié)合地名描述、地理空間、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)知識(shí)和技術(shù)，從整體上進(jìn)行把握，構(gòu)建基于地名本體的語(yǔ)義網(wǎng)實(shí)現(xiàn)基于語(yǔ)義的地名檢索服務(wù)[2]。

進(jìn)一步分析，可以得到雙向變流器中id、iq在d-q坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程為：

由式（4）可以直觀地看到，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，id的狀態(tài)方程中包含了擾動(dòng)量iq，因此要對(duì)雙向變流器的輸出電流進(jìn)行解耦，即需要增加控制環(huán)節(jié)以抵消式（4）中的耦合項(xiàng)。

2 解耦控制策略

由上節(jié)分析可知，三相對(duì)稱交流電網(wǎng)電壓和電流變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中成為直流量，系統(tǒng)d-q軸的輸出電流id、iq除受到控制量ud、uq的影響外，還受耦合電壓Lωiq、-Lωid和逆變輸出電壓usd、usq擾動(dòng)的影響，需將這些擾動(dòng)量包含在控制系統(tǒng)中以消除它們的影響，所以此時(shí)電流控制采用PI控制器控制，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)節(jié)，而并網(wǎng)逆變輸出電流的原理是，最終計(jì)算出三相橋臂的基波電壓usd、usq，將其送入控制器驅(qū)動(dòng) IGBT產(chǎn)生脈沖，從而產(chǎn)生給定電流。從矩陣方程可見(jiàn)，d-q軸變量相互耦合，因此可以采用前饋解耦控制解決，同時(shí)加入電網(wǎng)電壓前饋，以消除電網(wǎng)電壓畸變對(duì)控制效果產(chǎn)生的影響，從而得到usd、usq在d-q坐標(biāo)系下的控制方程：

上式中，KiP、KiI為電流環(huán) PI控制器的比例、積分參數(shù)，分別為有功電流和無(wú)功電流給定值。對(duì)公式（5）進(jìn)行拉普拉斯變換，得到雙向變流器的前饋解耦控制框圖如圖3所示。

將式（5）代入式（4）可得：

圖3 解耦控制框圖Fig. 3 Diagram of the decoupling control

雙向變流器輸出的有功功率由上層調(diào)度決定，無(wú)功功率設(shè)定為零。取經(jīng)過(guò)運(yùn)算后的有功功率P做PI調(diào)節(jié)，功率大小由給定值P*決定，則此功率環(huán)經(jīng)PI控制器的輸出值，可作為d軸的有功電流給定以控制雙向變流器有功功率的傳輸；無(wú)功功率給定Q*=0，直接作為系統(tǒng)無(wú)功給定輸入。由式（5）、式（6）可求出電壓控制指令usd、usq，再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)反變換，得到變流器交流側(cè)電壓指令矢量usa、usb、usc，根據(jù)此電壓指令矢量就可以對(duì)雙向變流器進(jìn)行調(diào)制。

在同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下，采用SVPWM控制方法，在采用PI調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制的同時(shí)，對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行矢量定向控制，實(shí)現(xiàn)了有功/無(wú)功電流的解耦控制，可以獨(dú)立調(diào)節(jié)微電網(wǎng)系統(tǒng)中的有功/無(wú)功功率。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)前述的理論分析，研制了30 kVA雙向變流器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的主要參數(shù)如表1所示，控制器采用TI公司DSP28335數(shù)字信號(hào)處理器，實(shí)現(xiàn)上述解耦控制策略以及SVPWM調(diào)制，并配合必要的外圍電路，包括過(guò)壓過(guò)流檢測(cè)及保護(hù)，輸出電壓、電流、負(fù)載電流檢測(cè)處理及驅(qū)動(dòng)脈沖輸出電路等。

圖4 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig. 4 The experimental prototype

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of system

采用FLUKE435電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析。圖5為在并網(wǎng)模式下，往大電網(wǎng)輸送30 kVA電能時(shí)A相的電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流波形，從圖中可以看到，電網(wǎng)電壓維持在 230 V，并網(wǎng)放電電流為43.4 A，與電網(wǎng)電壓同頻同相，能夠很好地跟蹤電壓，此時(shí)給定功率設(shè)定值為正，通過(guò)改變有功功率設(shè)定值，可以改變并網(wǎng)輸出電流的大小。當(dāng)功率設(shè)定值為負(fù)值時(shí)，系統(tǒng)將運(yùn)行于整流狀態(tài)，此時(shí)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻反相，提供蓄電池充電。

圖5 雙向變流器并網(wǎng)放電波形Fig. 5 On-grid discharge waveform of bidirectional converter

圖6為在圖5狀態(tài)下的相量功率，電網(wǎng)電壓為實(shí)軸，與虛軸并網(wǎng)電流完全重合，空間上依次相差120°，說(shuō)明電流能夠無(wú)差跟蹤電網(wǎng)電壓。圖 7為并網(wǎng)電流的THD分析，在輸出總功率30 kVA時(shí)，電壓總諧波畸變率THD為1.7%的情況下，電流總諧波畸變率為4.7%，電流失真度較低，滿足并網(wǎng)要求?？梢?jiàn)采用圖 3所示的控制策略具有較好的控制效果，能夠使雙向變流器在蓄電池電壓波動(dòng)及負(fù)載變化條件下，仍能提供良好的供電質(zhì)量。

圖6 相量功率Fig. 6 Phasor power

圖7 并網(wǎng)電流諧波Fig. 7 Harmonic of power grid voltage

4 結(jié) 論

雙向變流器是微電網(wǎng)的重要組成部分，開發(fā)高性能的變流器控制策略已經(jīng)成為研究的重點(diǎn)。本文在分析雙向變流器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)變流器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了推導(dǎo)與分析，采用矢量解耦控制策略，將三相交流電流變換為d-q軸電流，采用同步PI控制和前饋解耦控制相結(jié)合的方法，將原系統(tǒng)進(jìn)行線性化解耦，實(shí)現(xiàn)了有功和無(wú)功電流的解耦控制，可以獨(dú)立調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該矢量解耦控制策略能夠減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，獲得較好的控制性能，并能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的校正，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 楊新法, 蘇劍, 呂志鵬, 等. 微電網(wǎng)技術(shù)綜述[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(1): 57-70.

[2] 張厚升, 趙艷雷. 基于矢量解耦控制的風(fēng)電并網(wǎng)逆變器研究[J]. 電氣傳動(dòng), 2010, 40(9): 28-32.

[3] 袁浩, 王耀南. 單相三電平整流器雙滯環(huán) SVPWM電流控制方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(7): 31-36.

[4] 譚興國(guó), 王輝, 張黎, 等. 具有電壓補(bǔ)償?shù)乃拈_關(guān)并網(wǎng)逆變器等效SVPWM控制方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(1): 1-8.

[5] 文小玲, 尹項(xiàng)根, 張哲. 三相逆變器統(tǒng)一空間矢量PWM 實(shí)現(xiàn)方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 24(10): 87-93.

[6] 侯世英, 宋星, 孫韜, 等. 基于空間矢量滯環(huán)控制的新型容錯(cuò)三相四開關(guān)并網(wǎng)逆變器[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(21): 138-144.

[7] 李勛, 朱鵬程, 楊蔭福, 等. 基于雙環(huán)控制的三相SVPWM 逆變器研究[J]. 電力電子技術(shù), 2003, 37(5): 30-32.

[8] 姚文熙, 呂征宇, 費(fèi)萬(wàn)民. 基于PWM分解的三電平逆變器SVPWM的DSP實(shí)現(xiàn)方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2004, 28(14): 50-53.

[9] 宋文祥, 董英, 阮智勇. 電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)三電平整流器靜止坐標(biāo)系控制研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(1): 94-99.

[10] 定明芳, 劉昌玉. 基于DSP的數(shù)字化SVPWM三相逆變器閉環(huán)系統(tǒng)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2006, 26(12): 41-44.

Research on Vector Decoupling Control Applied on Micro-grid Bidirectional Converter

ZHANG Ji-yuan, SHU Jie, WU Zhi-feng, WANG Hao
(CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)

Bidirectional converter, as the core network device in the micro-grid, plays important roles in stabilizing access point voltage, decreasing network loss rate and improving the power factor. While in synchronous rotating coordinate system, bidirectional converter is a strong coupling and nonlinear system. Therefore it needs to be decoupled control to ensure the grid current can track the given signal. The decoupling control strategy of bidirectional converter is studied, and the mathematical model of synchronous rotating coordinate system is deduced and analyzed. Based on it, the decoupling control method combining PI with feed-forward is presented. The original system is linearized and decoupled, and the coupling between active current and reactive current is removed, so that the decoupling control of the system can be realized. The experimental results show that the proposed decoupling control strategy can reduce the steady state tracking error and the total harmonic distortion.

micro-grid; bidirectional converter; vector decoupling control; harmonic

TK762

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.06.011

2095-560X（2014）06-0476-05

張繼元（1990-），男，碩士，助理研究員，主要從事電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及微電網(wǎng)控制技術(shù)研究。

舒 杰（1969-），男，博士，研究員，主要從事光伏發(fā)電理論與技術(shù)及微電網(wǎng)技術(shù)研究。

吳志峰（1976-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事可再生能源發(fā)電、微電網(wǎng)調(diào)度控制、智能電網(wǎng)研究。

王 浩（1976-），男，博士，助理研究員，主要從事光伏系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、電能質(zhì)量治理技術(shù)等方面的研究。

2014-09-01

2014-10-20

廣東省高新區(qū)引導(dǎo)項(xiàng)目（2112B0900023）；廣州市重大科技專項(xiàng)（2010U1-D00231）；院市合作項(xiàng)目（2012HY1006551）；所長(zhǎng)創(chuàng)新基金培育專項(xiàng)（y407pa1001）；國(guó)家青年基金項(xiàng)目（51206170）

? 通信作者：舒 杰，E-mail：shujie@ms.giec.ac.cn