一種新能源發(fā)電并網(wǎng)控制技術(shù)研究

陳 卓，葛啟楨

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

隨著化石能源的日益枯竭、環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的危機(jī)，急需一種高效綠色的能源。作為一種新型的清潔能源，海洋潮流能的開發(fā)和利用也日益受到重視，其中潮流能并網(wǎng)發(fā)電成為其利用的主要研究方向并且也得到了快速發(fā)展[2]。然而當(dāng)潮流能并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，逆變器的拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)及其控制方法與傳統(tǒng)的逆變器有相似和不同之處。并網(wǎng)發(fā)電輸出的電壓的頻率要與電網(wǎng)的頻率絕對保持一致，與傳統(tǒng)逆變器輸出電壓的頻率控制方法不一樣。傳統(tǒng)的逆變器主要是改變輸出電壓的頻率，其變化范圍較大；而在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，其頻率只在電網(wǎng)頻率50 Hz左右變化。如何控制其輸出電流波形，快速而準(zhǔn)確的跟蹤電網(wǎng)電壓小范圍波動(dòng)，盡量減少其對電網(wǎng)的諧波污染并輸送符合標(biāo)準(zhǔn)的電能成為其并網(wǎng)運(yùn)行的研究難點(diǎn)和重點(diǎn)。為了保證逆變器并網(wǎng)成功，滿足單位功率因數(shù)輸出，必須加入鎖相環(huán)，保證并網(wǎng)逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓一致。傳統(tǒng)的硬件鎖相環(huán)電路復(fù)雜，調(diào)試難度大，且存在直流零點(diǎn)漂移和器件飽和等問題。本文采用一種軟件鎖相環(huán)，實(shí)現(xiàn)了對電網(wǎng)電壓頻率和相位的跟蹤。

1 潮流能并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)和原理

潮流能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖中可知，潮流能發(fā)電系統(tǒng)一般由水輪機(jī)，永磁同步發(fā)電機(jī)，AC/DC變換器以及并網(wǎng)逆變器等幾個(gè)部分構(gòu)成。

水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電經(jīng)過 AC/DC變換器得到逆變器直流輸入，經(jīng)由逆變器得到三相交流電并入電網(wǎng)，本文控制系統(tǒng)采用 ARM 的STM32控制器控制，輸出的交流電再由交流濾波器濾波輸出到電網(wǎng)。其中 AC/DC變換器包含最大功率點(diǎn)跟蹤 MPPT（Maximum Power Point Tracking）以及 BOOST升壓得到并網(wǎng)電流幅值基準(zhǔn)以及逆變器直流輸入。

在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，由于電網(wǎng)電壓是恒定的，因此只需要控制并網(wǎng)電流，逆變器輸出端需要采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)使并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，輸出功率因數(shù)為1。鎖相技術(shù)應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器中對電網(wǎng)的頻率和相位的跟蹤，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好。并網(wǎng)逆變器控制原理如圖2所示。

通過采樣獲得電網(wǎng)電壓信號(hào)，由PLL檢測得到系統(tǒng)同步信號(hào)，并網(wǎng)電流經(jīng)由dq變換與幅值給定進(jìn)行比較，比較后的誤差通過PI調(diào)節(jié)器然后經(jīng)過dq/abc變換，通過SVPWM調(diào)制得到各個(gè)開關(guān)管的觸發(fā)信號(hào)。

2 鎖相環(huán)的組成及實(shí)現(xiàn)方法

由于電網(wǎng)的頻率是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的，其頻率一般在50 Hz±0.5左右變化。因此，在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中電能要輸送給電網(wǎng)，其頻率時(shí)刻要與電網(wǎng)額頻率保持同步。潮流能發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為保證逆變器并網(wǎng)成功，要求逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓頻率和相位一致，輸出單位功率因數(shù)。鎖相環(huán)就是通過對電網(wǎng)電壓的監(jiān)測來保證逆變器輸出電流的頻率和相位與電網(wǎng)電壓保持一致的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

鎖相環(huán)一般由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器及分頻器組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示：

其基本工作原理為：鑒相器將電網(wǎng)電壓和控制系統(tǒng)內(nèi)部同步信號(hào)的相位差信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓,經(jīng)過環(huán)路濾波器濾波后，形成壓控振蕩器的控制電壓，然后通過壓控振蕩器把輸出振蕩頻率拉向環(huán)路輸入信號(hào)頻率，從而改變系統(tǒng)內(nèi)部同步信號(hào)的頻率和相位，使之與電網(wǎng)電壓一致。

鎖相環(huán)的一般實(shí)現(xiàn)方法有：1)通過硬件電路檢測電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)求得電網(wǎng)電壓同步信號(hào)，然后用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)鎖相。2)采用基于dq變換的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下檢測角頻率和相位信息。對于三相電路，采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的方法的鎖相環(huán)具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)性能。

3 并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型及鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)

3.1 基于dq變換的并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型

逆變器正常工作時(shí)處于單位功率因數(shù)下運(yùn)行，并網(wǎng)輸出為與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦電流。其三相回路瞬時(shí)值方程為：

在該數(shù)學(xué)模型下，雖然逆變器各物理概念清晰、直觀，但因?yàn)槠渥兞慷紴闀r(shí)變交流量，不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此可以通過坐標(biāo)變換將其從abc三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下。

首相，從abc三相靜止坐標(biāo)系到αβ兩相靜止坐標(biāo)系變換矩陣為

從αβ坐標(biāo)系到dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的變換矩陣為

通過坐標(biāo)變換，整理后可得到并網(wǎng)逆變器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：

由上式可以看出，只要分別控制d、q的電流就能控制并網(wǎng)的有功和無功分量。

3.2 鎖相環(huán)的原理及結(jié)構(gòu)

基于dq變換的三相鎖相環(huán)基本原理是將三相輸入電壓ua、ub、uc轉(zhuǎn)換到靜止的αβ坐標(biāo)系下，然后由靜止的αβ坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系下。

其中α軸與三相靜止坐標(biāo)系的a軸相重合,當(dāng)靜止的αβ坐標(biāo)系開始以一定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)就形成了旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系，此時(shí)，d軸與a軸夾角為θ，如圖4所示。

鎖相環(huán)的控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

首先通過坐標(biāo)變換，得到dq坐標(biāo)系下q軸分量uq，將參考零值與uq進(jìn)行比較得到誤差信號(hào)，將誤差信號(hào)輸入 PI節(jié)器，然后將輸出值加上初始工頻角頻率 2πf，通過一個(gè)積分環(huán)節(jié)，輸出的即為鎖相角θ。

4 建模與仿真

建立基于 MATLAB-simulink的鎖相環(huán)仿真模型及系統(tǒng)整體仿真模型。仿真模型如圖6所示。

仿真模型中，三相電網(wǎng)電壓由三個(gè)互差2/3π的正弦波發(fā)生器構(gòu)成，從abc三相靜止坐標(biāo)系到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系使用simulink自帶的Park變換模塊，然后將參考零值與q軸輸出比較，通過PI調(diào)節(jié)模塊，f取電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)頻率50 Hz，通過一個(gè)積分模塊，輸出的即為鎖相角θ，由圖6中示波器Scope5顯示。設(shè)定電網(wǎng)電壓A相為工頻50 Hz的正弦波，其初始相位為0，通過調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kp、Ki獲得輸出相位θ，當(dāng)取Kp=0.1、Ki=20的時(shí)候，仿真結(jié)果如圖7所示：通過仿真波形可以看出，輸出的電壓波形能夠很好的跟隨電網(wǎng)電壓并與其同步，該鎖相環(huán)能夠很好的實(shí)現(xiàn)鎖相。

5 結(jié)論

本文介紹了潮流能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及并網(wǎng)逆變器的控制原理，提出了一種基于坐標(biāo)變換的三相逆變器鎖相控制方法，并對該方法進(jìn)行詳細(xì)分析，通過MATLAB-simulink對其進(jìn)行建模及仿真，仿真結(jié)果表明該方法能夠很好的實(shí)現(xiàn)鎖相，達(dá)到逆變器單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行的目的。

[1]陳東華,謝少軍,周波.瞬時(shí)值電流控制逆變技術(shù)比較[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2004，36（3）:343-347.

[2]趙龍武,王樹杰,李冬.潮流電站電能轉(zhuǎn)換與并網(wǎng)控制研究.第二屆全國海洋能學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2009.