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    并聯(lián)逆變器輸出阻抗分析及電壓控制策略

    2014-11-25 09:25:38張慶海陳燕東彭楚武彭自強(qiáng)
    電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2014年6期
    關(guān)鍵詞:輸出阻抗幅頻特性低電壓

    張慶海 羅 安 陳燕東 彭楚武 彭自強(qiáng)

    (1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 長沙 410082 2.國網(wǎng)山東省電力公司聊城供電公司 聊城 252000)

    1 引言

    為了更好地挖掘分布式發(fā)電的潛力,解決分布式發(fā)電對(duì)大電網(wǎng)帶來的不利影響,采用微電網(wǎng)的形式接納分布式電源,已成為當(dāng)前電力系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)[1,2]。近幾年來,隨著許多實(shí)驗(yàn)性質(zhì)微電網(wǎng)的運(yùn)行,在微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)和電力電子接口控制等方面已取得了一定的成果[3-5],但由于實(shí)際中的小容量分布式電源大量存在,使得低電壓微電網(wǎng)日益成為研究熱點(diǎn)[6-10]。

    低電壓微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵難點(diǎn)問題是多逆變器的并聯(lián)運(yùn)行。在無互聯(lián)線的逆變器并聯(lián)中,通過選取不同的并聯(lián)逆變器控制方式,可以改變逆變器的輸出阻抗特性。無互聯(lián)線的逆變器并聯(lián)大多采用下垂控制方法[11],傳統(tǒng)的下垂控制方法一般將逆變器的輸出阻抗設(shè)計(jì)成電感性[12]。然而,低電壓微電網(wǎng)中,低壓線路的線路電阻遠(yuǎn)大于線路感抗,在這種條件下應(yīng)用傳統(tǒng)下垂控制法,容易導(dǎo)致系統(tǒng)功率分擔(dān)的精確性變差,系統(tǒng)穩(wěn)定性變?nèi)?,逆變器間環(huán)流較大[13,14]。

    針對(duì)低電壓微電網(wǎng)的上述特性,國內(nèi)外相繼提出了許多改進(jìn)下垂控制法。文獻(xiàn)[13]提出了基于虛擬功率的下垂控制法,通過把實(shí)際有功功率和無功功率分別轉(zhuǎn)換成虛擬功率,對(duì)傳統(tǒng)下垂控制法進(jìn)行修正。對(duì)此,文獻(xiàn)[14]指出,虛擬功率作為直接控制變量,并不能保證實(shí)際有功功率和無功功率在各個(gè)分布式電源之間的精確分配,進(jìn)而提出了基于虛擬頻率-電壓的下垂控制法,然而其控制算法較為復(fù)雜,難以在工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。

    另一方面,逆變器控制環(huán)中引入虛擬阻抗[8-10],可有效地改變逆變器輸出阻抗幅頻特性。根據(jù)輸出阻抗在工頻條件下的幅頻特性,然后采取相應(yīng)的下垂控制方法計(jì)算并合成參考電壓。本文即采取此種方案進(jìn)行分析。

    本文以線路電阻較大的低電壓微電網(wǎng)為研究對(duì)象,首先從并聯(lián)逆變器的電壓控制方式入手,通過引入虛擬復(fù)阻抗,將逆變器的輸出阻抗在工頻條件下設(shè)計(jì)呈電阻性;通過幅頻特性分析,詳細(xì)地探討了不同控制參數(shù)對(duì)于輸出阻抗的影響,選取了合適的控制參數(shù),給出了相應(yīng)的下垂控制方法。以上基于虛擬復(fù)阻抗的電壓控制策略,適用于低電壓微電網(wǎng)多逆變器并聯(lián)控制,能夠有效提高系統(tǒng)功率分擔(dān)的精確性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

    2 多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)

    圖1 所示為本文提出的多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。Udc為分布式電源輸出直流電壓,S1~S4構(gòu)成單相全橋逆變主電路,D為功率器件的開關(guān)狀態(tài)控制變量,uinv為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)逆變器輸出電壓的平均值。逆變器輸出電壓通過電感L和電容C構(gòu)成LC 濾波器濾除高頻毛刺,由低壓線路連接到輸出交流負(fù)載上。io為線路電流,濾波電感的等效電阻值設(shè)為rL,iL為電感電流,iC為電容電流,vo為濾波電容電壓,φ為合成參考電壓的初始相位角。

    圖1 多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram for parallel multi-inverters system

    逆變器控制采取基于虛擬復(fù)阻抗的電壓控制策略,具體實(shí)施方案為:下垂控制器計(jì)算合成參考電壓,電壓控制器對(duì)參考電壓進(jìn)行跟蹤控制。

    由圖1,當(dāng)開關(guān)周期足夠短時(shí),用各交流變量的瞬時(shí)值替代其一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值,則有如下兩式成立。

    聯(lián)立以上等式,得

    輸出阻抗的幅頻特性不同,采用的下垂控制方法也就不同。本文首先進(jìn)行逆變器輸出阻抗設(shè)計(jì)與分析,然后提出一種基于虛擬復(fù)阻抗的電壓控制策略,設(shè)計(jì)下垂控制器計(jì)算合成參考電壓。

    3 輸出阻抗設(shè)計(jì)

    采用PID 控制跟蹤逆變器輸出電壓,如下所示。

    式中,仍用一個(gè)開關(guān)周期中各交流變量的瞬時(shí)值代替其平均值。其中,vref為參考電壓。

    聯(lián)立式(3)和式(4),有

    上式可進(jìn)一步寫成

    式中,G(s)為電壓增益;e(s)為空載輸出電壓;Zo(s)為逆變器輸出阻抗。

    由于濾波電感的影響,一般情況下逆變器輸出阻抗呈電感性,傳統(tǒng)下垂控制法即基于此。然而,在應(yīng)用下垂控制方法于逆變器并聯(lián)控制時(shí),單個(gè)逆變器的整體阻抗應(yīng)為逆變器輸出阻抗與線路阻抗之和。當(dāng)逆變器輸出阻抗與線路阻抗之和并非呈現(xiàn)明顯的電感性時(shí),傳統(tǒng)下垂控制策略就不適用。

    低電壓微電網(wǎng)中線路阻抗比的值遠(yuǎn)高于中壓或高壓線路,線路越長,線路電阻值越高[15]。所以,如能使得工頻條件下逆變器的輸出阻抗為電阻性,則逆變器輸出阻抗和線路阻抗之和可呈現(xiàn)較大的電阻性且感性分量很小可忽略不計(jì)。由此,利用電阻性條件下的下垂控制方法,可解決傳統(tǒng)下垂控制法在低電壓微電網(wǎng)中應(yīng)用時(shí),由于線路電阻值相對(duì)較高而可能引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性較差、功率分擔(dān)精確性較低等不足。

    為改變逆變器輸出阻抗特性,本文引入虛擬復(fù)阻抗

    式中,ωc為低通濾波器的截止頻率,加入低通濾波器后,可以有效地避免高頻噪聲干擾。RD為虛擬電阻,LD為虛擬電感??紤]降低逆變器的輸出感抗值,虛擬感抗取負(fù)值,即Zv(s) 實(shí)際呈阻容性。

    引入式(7)虛擬阻抗的參考電壓示意圖如圖2所示。這時(shí),逆變器輸出阻抗值變?yōu)?/p>

    圖2 參考電壓引入虛擬復(fù)阻抗示意圖Fig.2 Diagram of reference voltage with virtual complex impedance

    將式(5)和式(6)中G(s) 和Zo(s)的值代入式(8),結(jié)果如式(9)所示。

    4 引入虛擬復(fù)阻抗的逆變器輸出阻抗分析

    未引入虛擬復(fù)阻抗時(shí)逆變器輸出阻抗Zo(s) 和改進(jìn)后輸出阻抗(s) 幅頻特性如圖3 所示。其仿真參數(shù)見表1 所示。

    圖3 Zo(s) 和(s) 幅頻特性Fig.3 Bode diagrams of the output impedance Zo(s)and (s)

    表1 Zo(s) 和(s) 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of Zo(s) and (s)

    表1 Zo(s) 和(s) 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of Zo(s) and (s)

    可見,引入式(8)所示虛擬復(fù)阻抗后,逆變器輸出阻抗在工頻條件下呈電阻性,幅值在低頻條件下可基本保持恒定。但未加入虛擬阻抗時(shí),輸出阻抗在工頻條件下呈電感性且其幅值對(duì)頻率變化極其敏感。

    觀察輸出阻抗在低頻條件下的幅值還可以看出,Zo(s) 的幅值很小,加入虛擬復(fù)阻抗后,通過增大式(8)中RD的取值,Zo'(s) 中電阻分量明顯增加,(s)在低頻條件下的幅值也明顯增大。

    下面進(jìn)一步探討參數(shù)kd、ki和RD對(duì)(s) 的影響,為便于比較,以表1 中所示(s) 的參數(shù)為基準(zhǔn),分別設(shè)定kd=0、ki=5 000、RD=1.5,其余參數(shù)不變,則輸出阻抗(s) 的幅頻特性圖如圖4 所示。

    圖4 不同參數(shù)條件下輸出阻抗幅頻特性圖Fig.4 Bode diagrams of the output impedance with different parameters

    由圖4 可見,式(4)中微分環(huán)節(jié)(即kd值)的變化,影響高頻條件下輸出阻抗的特性;ki=5 000 和RD=1.5 時(shí),輸出阻抗的頻率特性相對(duì)基準(zhǔn)參數(shù)條件下要好。但對(duì)RD的取值而言,進(jìn)一步的仿真分析可發(fā)現(xiàn),并非越大越好,RD變大引起逆變器輸出阻抗幅值變大。如圖4 中,RD取值為1.5 時(shí),輸出阻抗相對(duì)RD=0.5 時(shí)增大。文獻(xiàn)[16]詳細(xì)分析了逆變器輸出阻抗大小對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)均流的影響,并指出:較大的輸出阻抗雖然能夠取得較好的功率均分效果,但應(yīng)用下垂控制法時(shí),逆變器空載輸出電壓相對(duì)空載輸出電壓參考值亦產(chǎn)生較大的電壓降。因此,對(duì)式(7)而言,為使得逆變器輸出阻抗呈電阻性而在虛擬阻抗中引入過大的虛擬電阻RD是不可取的。

    為了體現(xiàn)式(7)與單一引入虛擬電阻的不同,仍以表2 中所示(s) 數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)參數(shù),令虛擬電感LD分別取值為100mH、200mH,按照式(9)計(jì)算得到的輸出阻抗的幅頻變化如圖5 中所示,箭頭所示方向?yàn)長D取值依次變大引起的幅值和頻率變化趨勢。可見,當(dāng)RD取一定值時(shí),LD的值在一定范圍內(nèi)變化,可使輸出阻抗更加接近純電阻性。

    圖5 不同虛擬電感值條件下輸出阻抗幅頻特性圖Fig.5 Bode diagrams of the output impedance with different virtual inductance values

    綜上所述,引入式(7)所示的虛擬復(fù)阻抗,虛擬阻抗中同時(shí)包含虛擬電阻和虛擬感抗,虛擬電阻可增大逆變器輸出電阻值;而虛擬感抗為負(fù)值,呈電容性,可降低逆變器輸出阻抗中固有的感性分量,從而使逆變器輸出阻抗在工頻下呈純阻性。

    5 電壓控制策略

    5.1 基于虛擬復(fù)阻抗的電壓控制策略

    圖6 所示為提出的基于虛擬復(fù)阻抗的電壓控制框圖,脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)等效為一個(gè)放大倍數(shù)正比于直流電壓Udc的比例放大增益kPWM。需要指出的是,式(4)中微分環(huán)節(jié)的存在對(duì)控制器的計(jì)算精度提出了較高的要求,因而,盡量避免微分運(yùn)算,可使系統(tǒng)較易實(shí)現(xiàn)。由圖1 易得

    圖6 基于虛擬復(fù)阻抗的電壓控制框圖Fig.6 Block diagram of the control of output voltage based on virtual complex impedance

    即電容電壓的微分可用電容電流iC的運(yùn)算來代替。

    5.2 下垂控制策略

    利用圖6 所示設(shè)計(jì)方法,通過選取合適的參數(shù),由式(9)計(jì)算得出的逆變器輸出阻抗呈電阻性。下面針對(duì)輸出阻抗為上述幅頻特性的并聯(lián)逆變器下垂控制策略進(jìn)行研究。

    圖7 所示為含有兩個(gè)分布式電源的低電壓微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡圖,R1、R2分別為逆變器1、2 輸出電阻,Zline1=Rline1+jXline1、Zline2=Rline2+jXline2分別等效逆變器1、2 線路阻抗,Rline1遠(yuǎn)大于Xline1、Rline2遠(yuǎn)大于Xline2;Zload為負(fù)載阻抗。E1∠φ1和E2∠φ2分別為逆變器1、2 的空載輸出電壓,φ1、φ2分別為逆變器1、2 空載輸出電壓與負(fù)載電壓V∠0°的相角差。

    圖7 含兩個(gè)分布式電源的低電壓微電網(wǎng)簡化原理圖Fig.7 Schematic diagram of the low voltage microgrid with two distributed generations

    對(duì)各逆變器,設(shè)逆變器的輸出電阻和線路電阻之和為R,則R的值遠(yuǎn)大于線路感抗值,線路感抗值可忽略不計(jì)。逆變器輸出的有功功率和無功功率分別為[17]

    式中,Pi、Qi分別為逆變器i輸出的有功功率和無功功率值;φi的值很小,可近似認(rèn)為cosφi≈1,sinφi≈φi。

    根據(jù)傳統(tǒng)感性輸出阻抗條件下的下垂控制原理,則阻性條件下的下垂控制方程變?yōu)?/p>

    式中,ω*為空載角頻率參考值;E*為空載輸出電壓幅值參考值。

    下垂控制法采用的是平均功率控制,所以系統(tǒng)輸出的瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q要通過低通濾波器濾波,才可以分別得到式(13)中的P和Q。同時(shí),對(duì)式(13)中角頻率下垂方程作如下修正

    其中

    式中,τ為暫態(tài)下垂時(shí)間常數(shù)。利用式(15)可將Q中的直流分量濾除,在負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí),各并聯(lián)逆變器輸出頻率與參考頻率保持一致,可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出頻率的無差控制[18,19]。

    由瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q計(jì)算得到平均功率P和Q'的公式可寫為

    式中,ωo為低通濾波器的截止頻率。

    基于以上分析的下垂控制器結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

    圖8 下垂控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.8 Schematic diagram of the droop controller

    6 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    根據(jù)前文提出的低電壓微電網(wǎng)中多逆變器并聯(lián)運(yùn)行控制策略,利用Matlab/Simulink 仿真平臺(tái)搭建了兩逆變器并聯(lián)仿真模型,逆變器額定容量均為2kV·A,載波頻率為10kHz,但線路阻抗差異較大且基本呈電阻性。利用本文提出的方法進(jìn)行分析時(shí),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示,逆變器電壓控制器如圖6 所示,下垂控制器如圖8 所示。由前文的仿真分析,重新選取表2 中所示仿真參數(shù)。

    圖9 為采用未引入虛擬復(fù)阻抗、傳統(tǒng)下垂控制法的仿真電流波形圖;圖10 為采用本文提出的方法仿真電流波形圖。i1、i2分別為流過逆變器1、2 線路的電流,iH=(i1-i2)/2 為兩逆變器之間的環(huán)流。0.6s之前只有逆變器1 單獨(dú)運(yùn)行,iH=i1/2;0.6s 逆變器2并入系統(tǒng),電流i1逐漸變?yōu)樵瓉淼囊话?。?jīng)過短暫的過渡后,iH基本趨向于零。然而對(duì)比兩者穩(wěn)態(tài)電流波形可見,圖10 中環(huán)流幅值相對(duì)圖9 中較小,并聯(lián)均流效果明顯改善。

    表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

    圖9 傳統(tǒng)控制策略仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of the traditional control method

    圖10 提出的控制策略仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of the proposed control method

    為進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果的有效性,在實(shí)驗(yàn)室搭建的2 臺(tái)額定容量為2kV·A 的單相光伏逆變器并聯(lián)系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。逆變器主電路采用全橋拓?fù)?,采樣及控制芯片采用TMS320F2812(DSP)。采用提出的基于虛擬復(fù)阻抗的電壓控制策略,參數(shù)仍如表2 中所示,考慮到易操作性,載波頻率采用12.8kHz。圖11 所示為實(shí)驗(yàn)裝置圖。

    圖11 光伏逆變器并聯(lián)系統(tǒng)平臺(tái)Fig.11 Platform of parallel photovoltaic inverters system

    圖12 輸出電流實(shí)驗(yàn)波形圖Fig.12 Experimental waveforms of output current

    圖12 所示為輸出電流實(shí)驗(yàn)波形圖,其中圖12a為第二臺(tái)逆變器并入系統(tǒng)時(shí),兩臺(tái)逆變器輸出電流變化圖,圖12b 為并聯(lián)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)兩逆變器輸出電流。可見,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前述仿真結(jié)果分析基本一致,即使在線路阻抗不同且基本呈電阻性的條件下,低電壓微電網(wǎng)多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)也具有較好的均流性能,輸出電流的暫態(tài)過程、穩(wěn)態(tài)過程均取得很好的效果。

    可見,這種基于虛擬復(fù)阻抗的電壓控制策略,適用于低電壓微電網(wǎng)多逆變器并聯(lián)控制,能夠有效提高系統(tǒng)功率分擔(dān)的精確性和穩(wěn)定性,取得較好的運(yùn)行效果。

    7 結(jié)論

    通過引入虛擬復(fù)阻抗,虛擬電阻增大逆變器輸出電阻值;而虛擬感抗為負(fù)值,呈電容性,可降低逆變器輸出阻抗中固有的感性分量,從而使逆變器輸出阻抗在工頻下呈純阻性;通過幅頻特性分析,詳細(xì)地探討了不同控制參數(shù)對(duì)于輸出阻抗的影響,選取了合適的控制參數(shù),給出了相應(yīng)的下垂控制方法。以上基于虛擬復(fù)阻抗的電壓控制策略,適用于低電壓微電網(wǎng)多逆變器并聯(lián)控制,能夠有效提高系統(tǒng)功率分擔(dān)的精確性和穩(wěn)定性,取得了較好的運(yùn)行效果。仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的可行性。

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