電網(wǎng)諧波背景下風(fēng)電并網(wǎng)逆變器的PRI控制方法

唐凡森，林輝品，王鹿軍，呂征宇

（浙江大學(xué)電力電子國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，杭州310027）

電網(wǎng)諧波背景下風(fēng)電并網(wǎng)逆變器的PRI控制方法

唐凡森，林輝品，王鹿軍，呂征宇

（浙江大學(xué)電力電子國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，杭州310027）

針對(duì)分布式發(fā)電接入的配電網(wǎng)常常因負(fù)荷影響而含有大量的低次諧波問題，分析了分布式發(fā)電中電網(wǎng)電壓對(duì)逆變器并網(wǎng)電流的影響，提出了一種兼具諧波補(bǔ)償和直流擾動(dòng)抑制功能的比例諧振積分（PRI）控制器。與傳統(tǒng)比例諧振（PR）控制器相比，積分環(huán)節(jié)的引入有效地提高了控制器的低頻增益，特別對(duì)直流分量的擾動(dòng)具有明顯的抑制效果。最后在1臺(tái)50 kW的三相三電平并網(wǎng)逆變器上進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PRI控制器不但可以在穩(wěn)態(tài)時(shí)大幅減小并網(wǎng)電流的諧波含量，而且在動(dòng)態(tài)過程中可以迅速地抑制并網(wǎng)電流的直流擾動(dòng)。PRI控制器非常適合作為分布式發(fā)電并網(wǎng)逆變器的控制方法。

諧波；分布式發(fā)電；并網(wǎng)逆變器；比例諧振積分控制器

引言

近年來，隨著能源短缺和環(huán)境危機(jī)等問題的日益嚴(yán)峻，以風(fēng)能、太陽(yáng)能為代表的新能源發(fā)電得到了廣泛關(guān)注。當(dāng)前，在我國(guó)除了少部分地區(qū)的風(fēng)能和太陽(yáng)能可以集中利用外，大部分地區(qū)的新能源發(fā)電都是以分布式發(fā)電的形式存在的［1］。分布式發(fā)電不以遠(yuǎn)距離輸電為目的，其靈活分散的特點(diǎn)緩解了電力負(fù)荷與新能源富集地區(qū)距離較遠(yuǎn)的矛盾，在一定程度上節(jié)省了升級(jí)長(zhǎng)距離輸電網(wǎng)所需的巨大投資［2］。但是由于臨近各種各樣的用電負(fù)荷，分布式發(fā)電接入的低壓配電網(wǎng)常常含有大量低次諧波，嚴(yán)重影響了分布式發(fā)電并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)電流質(zhì)量［3-4］。同時(shí)并網(wǎng)逆變器往往工作在較偏遠(yuǎn)地區(qū)，其工作環(huán)境中電網(wǎng)脆弱，電網(wǎng)電壓畸變的現(xiàn)象較為嚴(yán)重，電網(wǎng)畸變會(huì)導(dǎo)致并網(wǎng)系統(tǒng)中電流諧波的增大[5]。

由于LCL濾波器所需總電感量比L和LC濾波器小得多，不僅能降低成本，減小濾波器的體積和質(zhì)量，還能提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，對(duì)諧波的抑制效果佳，因此大功率并網(wǎng)逆變器通常采用LCL濾波器濾除高次諧波[6]。

提高并網(wǎng)電流的控制帶寬是抑制電網(wǎng)諧波的有效方法，然而由于大功率并網(wǎng)逆變器通常采用LCL濾波器濾除高次諧波，LCL的諧振特性限制了并網(wǎng)電流的控制帶寬［7］。為了減小LCL濾波器諧振尖峰對(duì)帶寬的限制，文獻(xiàn)［8］提出用分裂電容的方法將LCL濾波器在控制上簡(jiǎn)化為L(zhǎng)濾波器，此方法雖然在一定程度上可以提高電流控制環(huán)的帶寬，但是需要提前得知準(zhǔn)確的LCL參數(shù)，而實(shí)際系統(tǒng)中LCL濾波電容兩側(cè)的電感值不但受配電網(wǎng)等效電感的影響，甚至在不同功率等級(jí)下也不一樣；文獻(xiàn)［9-10］提出用電容電流反饋的方法來抑制LCL的諧振，此方法多了一個(gè)電容電流控制環(huán)路，控制參數(shù)的整定變得復(fù)雜，一般還需要額外的傳感器來準(zhǔn)確檢測(cè)電容電流，增加了系統(tǒng)的成本；文獻(xiàn)［11］提出用重復(fù)控制的方法來改善并網(wǎng)電流波形，此方法雖然可以在穩(wěn)態(tài)時(shí)減小并網(wǎng)電流的諧波含量，但其動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，而風(fēng)電、太陽(yáng)能等分布式電源隨機(jī)性較大，需要并網(wǎng)逆變器有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；文獻(xiàn)［12］提出增加前饋通道的方法來抑制電網(wǎng)諧波對(duì)并網(wǎng)逆變器的影響；文獻(xiàn)［13］指出，只有電網(wǎng)電壓前饋具有實(shí)用性，而且直接對(duì)電網(wǎng)電壓做一個(gè)比例變換補(bǔ)償?shù)娇刂骗h(huán)路，并不能完全抑制電網(wǎng)諧波對(duì)并網(wǎng)電流的影響。近年來，一種在靜止坐標(biāo)系下的比例諧振控制器 PR（proportional resonont controller）得到了廣泛關(guān)注［14-15］。在靜止坐標(biāo)系下，αβ坐標(biāo)軸分量是不耦合的正弦信號(hào)，而PR控制器正好可以對(duì)正弦電流參考信號(hào)進(jìn)行無靜差跟蹤，PR控制器還可以非常方便地進(jìn)行諧波補(bǔ)償。但是PR控制器本質(zhì)上是一個(gè)帶通濾波器，只在基波和需要抑制的諧波附近具有較高增益，對(duì)低頻擾動(dòng)的抑制能力很低。若并網(wǎng)電流含有直流分量時(shí)，PR控制器并不能很快調(diào)整過來，而直流分量會(huì)引起電力系統(tǒng)中的變壓器或互感器趨近飽和、變電站接地網(wǎng)腐蝕等問題［16］。

本文在傳統(tǒng)PR控制器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了低頻補(bǔ)償，提出了比例諧振積分控制器PRI（proportional resonant integral controller），引入積分環(huán)節(jié)有效地提高了控制器的低頻增益，特別是針對(duì)在初加負(fù)載的暫態(tài)過程中產(chǎn)生的直流分量擾動(dòng)具有明顯的快速抑制能力。首先以三電平并網(wǎng)逆變器為例簡(jiǎn)要描述了分布式發(fā)電并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并用控制框圖定量推導(dǎo)了電網(wǎng)電壓對(duì)并網(wǎng)電流的影響，然后詳細(xì)介紹了PRI控制器的控制特性，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了PRI控制器不僅能有效抑制電網(wǎng)諧波的擾動(dòng)，而且還可以抑制并網(wǎng)電流的直流擾動(dòng)。

圖1 三電平并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of three-level grid-connected inverter

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制方法

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型分布式發(fā)電并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主電路輸入是直流電壓源，輸出通過LCL連接電網(wǎng)?？刂葡到y(tǒng)主要采集的電量信號(hào)為電網(wǎng)電壓、直流母線電壓和逆變器側(cè)輸出電流。采集電網(wǎng)電壓是為了鎖相和孤島檢測(cè)等應(yīng)用；采集直流母線電壓一方面是因?yàn)檩敵鲭娏鞯膮⒖夹盘?hào)一般根據(jù)母線電壓計(jì)算得到，另一方面是為了過壓和欠壓保護(hù)；采集逆變器側(cè)輸出電流而非網(wǎng)側(cè)電流作為主要控制量，主要是因?yàn)閱苇h(huán)控制時(shí)前者的系統(tǒng)穩(wěn)定性更好［17］，而且采樣能更迅速地進(jìn)行過流保護(hù)?？刂葡到y(tǒng)的輸出為 12路脈寬調(diào)制信號(hào)PWM（pulse width modulation）分別控制12個(gè)IGBT。由于三電平逆變器在高壓大功率的應(yīng)用場(chǎng)合比兩電平逆變器有明顯的優(yōu)勢(shì)［18］，所以搭建了1臺(tái)三相三電平并網(wǎng)逆變器作為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。在控制系統(tǒng)中，三電平逆變器的空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM （space vector pulse width modulation）算法比兩電平逆變器的算法更加復(fù)雜，并需要進(jìn)行直流母線電容均壓控制，但兩者對(duì)并流電流的控制方法是一致的。本文提出的PRI控制器同樣適用于兩電平逆變器。

1.2 電網(wǎng)電壓的影響

在靜止坐標(biāo)系下，圖1所示系統(tǒng)中輸出電流ia的控制框圖如圖2所示。圖2中iref、iL1、iL2、Vs分別表示在αβ坐標(biāo)軸下的參考電流、濾波電感L1的電流、濾波電感L2的電流和電網(wǎng)電壓，Gc（s）為控制器的傳遞函數(shù)，K為開關(guān)平均后逆變器的等效傳遞函數(shù)。iref為給定電流，是一個(gè)正弦信號(hào)，其相位通過鎖相得到。本文的鎖相采用同步坐標(biāo)系下的PQ鎖相方法，并通過一個(gè)低通濾波器來濾除電網(wǎng)諧波的影響［19］。

由圖2可以看到，圖2（a）中輸出電壓電流在點(diǎn)②處存在耦合，需要將其進(jìn)行化簡(jiǎn)。將圖2（a）中相加點(diǎn)②前移至相加點(diǎn)①并與相加點(diǎn)①合并，然后化簡(jiǎn)回路1得圖2（b）所示框圖。將圖2（b）中相加點(diǎn)③前移至相加點(diǎn)①并與相加點(diǎn)①合并，然后化簡(jiǎn)回路2得圖2（c）所示框圖。圖2中傳遞函數(shù)G1（s）和G2（s）分別為

式中：Lf1為L(zhǎng)CL濾波器逆變側(cè)電感；Lf2為L(zhǎng)CL濾波器電網(wǎng)側(cè)電感；Rf和Cf分別為L(zhǎng)CL濾波器內(nèi)阻和電容。

圖2 輸出電流控制框圖Fig.2 Block diagram of output current

分析圖2（c）中電網(wǎng)電壓對(duì)輸出電流的影響?？傻猛ǖ繬（s）和環(huán)路增益D（s）分別為

分析式（1）～式（4）可知，由于在低頻處的控制增益與LCL中電感和電容的取值相比非常大，電網(wǎng)電壓對(duì)并網(wǎng)電流的擾動(dòng)非常大，若要抑制電網(wǎng)電壓擾動(dòng)則控制系統(tǒng)需要有非常高的增益。

1.3 PRI控制器

理想的PR控制器在諧振頻率附近具有無窮大增益，但帶寬非常窄，本質(zhì)上是一個(gè)帶寬很窄的帶通濾波器。由于電網(wǎng)頻率是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的，所以在實(shí)際應(yīng)用中，常使用準(zhǔn)諧振變換器。

本文提出的PRI控制器的傳遞函數(shù)為

式中：KP為比例常數(shù)；KR為諧振常數(shù)；KI為積分常數(shù)；ωC為截止頻率。

文獻(xiàn)［20］詳細(xì)介紹了其取值方法，在此不再贅述。傳統(tǒng)PR控制器的波特圖如圖3所示，加入低頻補(bǔ)償后的PRI控制器的波特圖如圖4所示?？梢钥吹?，加入低頻補(bǔ)償后的波特圖不僅在諧波頻率處保持了高增益以抑制電網(wǎng)電壓擾動(dòng)，還在低頻處補(bǔ)償了原控制器低頻增益不足的問題。

圖3 PR控制器波特圖Fig.3 Bode plots of PR controller

圖4 PRI控制器波特圖Fig.4 Bode plots of PRI controller

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證PRI控制方法的有效性，在1臺(tái)50 kW三電平并網(wǎng)逆變器上分別進(jìn)行了諧波抑制和直流擾動(dòng)抑制實(shí)驗(yàn)。

逆變器輸入BUS電壓Udc為680 V，輸出線電壓為380 V，輸出功率為50 kVA，效率預(yù)設(shè)為95%，功率因數(shù)接近于1，開關(guān)頻率為10 kHz。IGBT選擇三菱公司的CM150DY－34A，耐壓1 700 V，電流150 A。二極管選擇SKKD75F12，耐壓1 200 V，電流75 A。驅(qū)動(dòng)模塊選取Powerex生產(chǎn)的m57962k，自帶短路保護(hù)功能。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 Experiment platform

2.1 諧波抑制實(shí)驗(yàn)

圖6為含有諧波的、去掉了基波分量的三相電網(wǎng)電壓波形及其傅里葉分析。由圖6的電網(wǎng)電壓波形可以看出，電網(wǎng)電壓已出現(xiàn)明顯畸變；根據(jù)其傅里葉分析可以看到，電網(wǎng)中5、7次諧波非常多，經(jīng)計(jì)算其THD含量約為5.24%。

圖6 畸變的電網(wǎng)電壓波形及其FFT分析Fig.6 Waveform of distortion grid voltage and FFT analysis

諧波補(bǔ)償前后的并網(wǎng)電壓、電流波形分別如圖7、圖8所示。從圖7可以非常直觀地發(fā)現(xiàn)，在電網(wǎng)電壓基本不變的情況下，未進(jìn)行諧波補(bǔ)償時(shí)的并網(wǎng)電流諧波含量較大，經(jīng)計(jì)算，其THD為12.39%，未達(dá)到并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；而進(jìn)行諧波補(bǔ)償后，并網(wǎng)電流的電流曲線非常平滑，諧波含量大大減小。

進(jìn)一步對(duì)諧波補(bǔ)償后的并網(wǎng)電流進(jìn)行傅里葉分析，圖形如圖9所示。由圖計(jì)算得到其THD值為1.89%，相較于諧波補(bǔ)償前的并網(wǎng)電流，該指標(biāo)已大為降低，并達(dá)到并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)比可以證明，PRI控制器可以在穩(wěn)態(tài)時(shí)大幅減小并網(wǎng)電流中的諧波含量，有效提升了輸出電流質(zhì)量。

圖7 未進(jìn)行諧波補(bǔ)償時(shí)的并網(wǎng)電壓電流波形Fig.7 Waveforms of grid current and voltage without harmonics compensation

圖8 電流諧波補(bǔ)償后的并網(wǎng)電壓電流波形Fig.8 Waveforms of grid current and voltage after harmonics compensation

圖9 電流諧波補(bǔ)償后的并網(wǎng)電流FFT分析Fig.9 FFT analysis of distortion grid current after harmonics compensation

2.2 直流擾動(dòng)抑制實(shí)驗(yàn)

盡管在理想情況下，逆變器不存在直流分量注入的問題，但由于開關(guān)管特性不完全一致、上下開關(guān)管的離散性和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不一致，以及電流、電壓檢測(cè)和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的零點(diǎn)漂移等多種原因，導(dǎo)致實(shí)際過程中不可避免地存在一定的直流分量［21］。

應(yīng)該說明的是，PR控制器同樣具有抑制直流擾動(dòng)的能力，只是抑制能力較弱，所以在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，很難比較出PRI控制器的優(yōu)越性。但在過渡過程中，直流擾動(dòng)將有較大的變化幅度，可比較2種控制器抑制直流擾動(dòng)的能力。

圖10 直流擾動(dòng)抑制實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Waveforms of DC bias suppressing experiment

本文比較了輸出電流的幅值從0 A階躍到15 A時(shí)，2種控制器的輸出電流波形，如圖10所示。由圖可以看到，在10 ms時(shí)刻，電流參考指令開始突變，在PR控制器下直流擾動(dòng)大約要到60 ms時(shí)才可以消除，而PRI控制器只需到40 ms就可以消除直流擾動(dòng)，調(diào)整時(shí)間減少了40%。PR控制器下電流幅值的超調(diào)量約為4.5 A，PRI控制器下電流幅值的超調(diào)量約為2.5 A，PRI控制器下電流幅值超調(diào)量減少了44%。通過對(duì)比不難得出，在電流因動(dòng)態(tài)過程的影響而具有較大直流擾動(dòng)時(shí)，PRI控制器比PR控制器更有優(yōu)越性。

3 結(jié)語

針對(duì)電網(wǎng)背景諧波情況下，并網(wǎng)電流諧波含量較高的問題，本文推導(dǎo)了電網(wǎng)電壓對(duì)并網(wǎng)電流的影響關(guān)系式，并提出了一種兼具諧波補(bǔ)償和直流擾動(dòng)抑制能力的PRI控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PRI控制器不但可以在穩(wěn)態(tài)時(shí)大幅減小并網(wǎng)電流的諧波含量，而且在動(dòng)態(tài)過程中可以迅速的抑制直流擾動(dòng)。由于分布式發(fā)電所接入的配電網(wǎng)離負(fù)載較近，常常由于非線性負(fù)載的影響而含有大量諧波，所以PRI控制器非常適合作為分布式發(fā)電并網(wǎng)逆變器的控制方法。應(yīng)該說明的是，電網(wǎng)諧波對(duì)并網(wǎng)逆變器的影響還體現(xiàn)在電流基準(zhǔn)的給定上面，如何在電網(wǎng)電壓具有諧波情況下既快又準(zhǔn)的鎖相是一個(gè)難題，且在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)非常重要。本文實(shí)驗(yàn)中所用的鎖相方法并未考慮應(yīng)對(duì)電網(wǎng)可能出現(xiàn)故障時(shí)的情況，后續(xù)研究中將加以完成。

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PRI Control Methodology for Wind Power Grid-connected Inverters in Harmonic Distorted Grid Utility

TANG Fansen，LIN Huipin，WANG Lujun，LYU Zhengyu
（State Key Laboratory of Power Electronics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

For the problem of low order harmonics caused by nonlinear loads，the impacts of grid voltage on grid current in distributed generation grid-connected inverters are analyzed，and a control strategy that can compensate harmonics and suppress DC bias is proposed.In comparison with traditional PR controller，the proposed PRI controller with an additional integral part obtains a higher gain in low frequency，and the controller has an apparent effort especially for suppressing DC bias.Finally，the PRI controller is verified in a 50 kW three-level inverter.The experimental results show that the PRI controller not only can reduce harmonics of grid current in the steady state but also can suppress DC bias rapidly in a dynamic process.The PRI controller is suitable for DGs since they typically contain low order harmonics which caused by nonlinear loads.

harmonic；distributed generation；grid－connected inverter；proportional resonant integral controller

唐凡森

唐凡森（1991－），通信作者，男，碩士研究生，研究方向：電力電子數(shù)字控制，電力電子高速通訊技術(shù)，E-mail：tangfansen@zju.edu.cn。

林輝品（1987-），男，博士研究生，研究方向：DC-DC諧振變換器，E-mail：linhuipin@126.com。

王鹿軍（1985-），男，博士研究生，研究方向：分布式發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)，E-mail：wanglujun@zju.edu.cn。

呂征宇（1957-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子功率變換與系統(tǒng)控制變拓?fù)淙嵝宰兞髌骼碚摰?，E-mail：fly5905@zju.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.4.8

：TM 464

：A

2015-04－20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51177148）

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