分布式可再生能源并網(wǎng)逆變器控制策略研究

王歸新　湯大猷　陳海東　程俊翔

(三峽大學(xué) 新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌　443002)

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分布式可再生能源并網(wǎng)逆變器控制策略研究

王歸新湯大猷陳海東程俊翔

(三峽大學(xué) 新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌443002)

摘要：為滿足分布式可再生能源并網(wǎng)要求，提出一種模擬同步發(fā)電機(jī)特性的并網(wǎng)逆變器控制策略．引入慣性與阻尼特性，建立了并網(wǎng)逆變器控制策略的數(shù)學(xué)模型．采用近似同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁無(wú)功調(diào)節(jié)、有功頻率下垂特性調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器在孤島運(yùn)行時(shí)維持電網(wǎng)電壓、頻率穩(wěn)定，在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)跟蹤有功、無(wú)功指令，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性．仿真結(jié)果證明了所提出控制策略的可行性．

關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電；并網(wǎng)逆變器；虛擬同步電機(jī)；調(diào)頻調(diào)壓

隨著全球能源消費(fèi)的不斷增長(zhǎng)，以化石燃料為主的能源供應(yīng)方式使人們對(duì)能源供應(yīng)的可持續(xù)性日漸關(guān)注[1]，加之在全球氣候變暖、電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)洳粩嗬匣?、能效利用率達(dá)到瓶頸以及對(duì)電能質(zhì)量高要求的背景下，使得對(duì)可再生能源的開發(fā)利用、構(gòu)建可持續(xù)的能源系統(tǒng)成為現(xiàn)階段各國(guó)的共同目標(biāo)與必然的發(fā)展趨勢(shì)[2]．近年來，風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)已建立大批的風(fēng)、光發(fā)電站[3]．由于風(fēng)速、光照強(qiáng)度等具有隨機(jī)性、非線性和不可控性等特征[4]，大型風(fēng)光電站的并網(wǎng)給電力系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來了不小的挑戰(zhàn)．作為分布式能源與智能電網(wǎng)的紐帶，并網(wǎng)逆變器的作用不言而喻，但在發(fā)揮其有益作用的同時(shí)不可忽視的是常規(guī)并網(wǎng)逆變器的固有缺陷．分布式發(fā)電系統(tǒng)的串并聯(lián)諧振事故多次出現(xiàn)，三相不平衡、低功率因數(shù)等電能質(zhì)量問題也十分突出．這些問題給配電網(wǎng)和微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)[5]．

在可再生能源由集中式發(fā)電向分布式接入電網(wǎng)，配電網(wǎng)從無(wú)源配網(wǎng)向有源配網(wǎng)過渡的背景下，傳統(tǒng)運(yùn)行模式下并網(wǎng)逆變器所采用的集中通信、控制和調(diào)度難以達(dá)成，由此希望各分布式能源可以實(shí)現(xiàn)自治控制[6]．為使并網(wǎng)逆變器達(dá)到自治控制的目的，學(xué)術(shù)界提出一種思路是并網(wǎng)逆變器模擬發(fā)電機(jī)的外特性，由此產(chǎn)生的控制策略大致分為兩類．一類是下垂控制策略，在并網(wǎng)逆變器閉環(huán)功率控制中加入近似發(fā)電機(jī)電壓和頻率特性．這種控制策略在一定程度上提高了并網(wǎng)逆變器的性能，但由于此策略只是對(duì)發(fā)電機(jī)下垂外特性的一種仿效，沒有真正意義上的對(duì)系統(tǒng)的阻尼作用，使設(shè)計(jì)不佳的下垂系數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響很大[7]．另一類控制策略是虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)，在這類控制策略中加入了發(fā)電機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程，使變換器的慣性與阻尼概念構(gòu)成明確的物理解釋，為系統(tǒng)穩(wěn)定性提供支撐[8]．本文基于虛擬同步電機(jī)控制策略，建立了分布式可再生能源并網(wǎng)逆變器的控制策略數(shù)學(xué)模型，包含虛擬調(diào)速、勵(lì)磁系統(tǒng)控制器，可實(shí)現(xiàn)分布式能源孤網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行．

1并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型

1.1虛擬同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

本文從系統(tǒng)分析和控制器設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，建立無(wú)源動(dòng)態(tài)系統(tǒng)同步電機(jī)模型．采用隱極機(jī)模型故定子電感參數(shù)為常量，設(shè)定子繞組磁極對(duì)數(shù)為1對(duì)，不考慮渦流效應(yīng)且鐵芯中沒有磁路飽和現(xiàn)象[9]．雖然阻尼繞組有助于同步電機(jī)的速度偏差調(diào)節(jié)以及保持與電網(wǎng)的同步，但在簡(jiǎn)化模型中其效果需進(jìn)一步驗(yàn)證，故在此忽略．

1.1.1電氣模型

如圖1所示，勵(lì)磁繞組與3個(gè)完全相同的定子繞組分別固定在溝槽中，氣隙分布均勻．

圖1　三相同步電機(jī)簡(jiǎn)化模型

定子繞組可用一個(gè)集中線圈等效代替，包含自感L與互感-M，其中M>0且通常取值為0.5L，負(fù)號(hào)由相位相差2π/3產(chǎn)生；勵(lì)磁繞組可視為一個(gè)包含自感Lf的集中線圈．互感的值隨勵(lì)磁線圈與定子線圈間轉(zhuǎn)角θ的值變化，如式(1)，其中Mf>0．

繞組磁鏈方程為

式中ia、ib和ic為三相定子電流，if為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流．

在無(wú)中性線接線方式下，ia+ib+ic=0．則定子磁鏈方程可表示為

式中，Ls=L+M．

勵(lì)磁磁鏈方程可表示為

式中，Mf[I，cosθ]為電樞反映方程，在三相電流為對(duì)稱交流量時(shí)保持連續(xù)．

由式(3)可得三相端電壓U=[uaubuc]T為

式中，Rs為定子繞組等效電阻；E=[eaebec]T為勵(lì)磁電勢(shì)，主要受轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的影響．

其公式為

式中，ω為同步發(fā)電機(jī)電氣角速度，ω0為電網(wǎng)同步角速度，θ=∫ωdt．

由式(4)可得勵(lì)磁電壓為

式中，Rf為轉(zhuǎn)子繞組等效電阻．在模型的實(shí)際求解中，為方便計(jì)算將勵(lì)磁電壓用勵(lì)磁電流代替作為一個(gè)可調(diào)節(jié)連續(xù)型變量作為輸入量．當(dāng)用一個(gè)恰當(dāng)?shù)闹绷髟吹刃Т鎰?lì)磁繞組端電壓且if連續(xù)時(shí)，式(6)可簡(jiǎn)化為

虛擬同步電機(jī)的總機(jī)械方程可表示為

其中，J為同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Tm和Te為同步發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩，D為阻尼系數(shù)．

同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩可由電磁功率P求得

帶入式(3)、(4)得

在Φ，Φf連續(xù)時(shí)，無(wú)反電動(dòng)勢(shì)，電磁轉(zhuǎn)矩可表示為

而在I和if連續(xù)時(shí)，由逆矩陣求導(dǎo)公式可知

將式(6)帶入式(9)可得

一個(gè)基本DC/AC并網(wǎng)逆變器拓?fù)淙鐖D2所示，包括直流側(cè)能量吸收回路，三橋臂PWM控制整流橋，LC濾波電路，電網(wǎng)接入側(cè)阻抗(由串聯(lián)的等效電感與電阻組成)經(jīng)斷路器與大電網(wǎng)相連．

圖2　并網(wǎng)逆變器拓?fù)?/p>

將直流吸收回路視為原動(dòng)機(jī)做功及電機(jī)慣性環(huán)節(jié)(與電網(wǎng)頻率的導(dǎo)數(shù)成正比)的等效，三橋臂中點(diǎn)處電壓等效為發(fā)電機(jī)暫態(tài)電勢(shì)，濾波電感等效為定子繞組阻抗，濾波電容處電壓等效為機(jī)端電壓，電網(wǎng)側(cè)阻抗并不是逆變器的一部分，但其有助于逆變器進(jìn)行功率與同步調(diào)整．基于此思想進(jìn)行控制的并網(wǎng)逆變器具有了慣性與阻尼特性，有助于提高分布式可再生能源的并網(wǎng)電能質(zhì)量，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性．

2控制方案

2.1虛擬調(diào)速與有功控制

借鑒同步發(fā)電機(jī)通過調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械功率來調(diào)節(jié)有功輸出，在并網(wǎng)逆變器有功調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中引入對(duì)虛擬機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm的控制．為保證分布式電源的獨(dú)立運(yùn)行、保持頻率穩(wěn)定，加入調(diào)頻環(huán)節(jié)．Tm由穩(wěn)態(tài)機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm0，頻率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩Tmf組成．

式中，Pset為有功參考值，f為模擬機(jī)端電壓的頻率，fset為電網(wǎng)頻率，Kf為調(diào)頻系數(shù)．

2.2虛擬勵(lì)磁與無(wú)功控制

同步發(fā)電機(jī)的無(wú)功調(diào)節(jié)依賴于勵(lì)磁電流的變化，依據(jù)此原理，在逆變器控制中通過調(diào)節(jié)虛擬電勢(shì)的變化來進(jìn)行輸出電壓的整定與無(wú)功功率調(diào)節(jié)．虛擬電勢(shì)E由3部分組成．第1部分為虛擬發(fā)電機(jī)空載電勢(shì)E0，等效為分布式電源在脫網(wǎng)空載運(yùn)行時(shí)的機(jī)端電壓；第2部分為保證獨(dú)立運(yùn)行時(shí)電壓穩(wěn)定，等效調(diào)壓環(huán)節(jié)的調(diào)壓輸出量EU；第3部分為無(wú)功功率調(diào)節(jié)量EQ．

E=E0+EU+EQ

玉米需水曲線與單株曲線相一致，玉米苗期耗水較少，播節(jié)期需水激增，是玉米水分臨界期，這時(shí)如遇干旱，減產(chǎn)嚴(yán)重。乳熟期仍需較多水分，此時(shí)缺水會(huì)降低粒重，蠟熟期需水較少，干燥天氣有利于成熟。玉米灌溉應(yīng)在玉米8-10小時(shí)，此時(shí)正是雌雄穗分化期，利于結(jié)大穗、奪高產(chǎn)。

式中，U為模擬機(jī)端電壓，Uset為機(jī)端電壓給定值，KQ為無(wú)功調(diào)節(jié)系數(shù)；Q為并網(wǎng)逆變器瞬時(shí)輸出無(wú)功值，Qset為無(wú)功功率給定值，KU為調(diào)壓系數(shù)．

綜上可得系統(tǒng)總體控制框圖見圖3．

圖3　系統(tǒng)控制框圖

2.3參數(shù)整定

定義并網(wǎng)逆變器輸出有功、無(wú)功功率分別為P和Q．則

無(wú)功功率電勢(shì)滯后于有功功率電勢(shì)90°，故可表示為

許婧基于虛擬同步電機(jī)控制策略，并網(wǎng)逆變器在實(shí)現(xiàn)功率實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上能對(duì)頻率、電壓進(jìn)行穩(wěn)定性控制，保證獨(dú)立運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)電能質(zhì)量，為脫網(wǎng)、并網(wǎng)切換過程中減緩震蕩過程提供支持以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[10]．

同步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J與其實(shí)際體積有關(guān)，通常用慣性時(shí)間常數(shù)H表示：

J=2H

慣性時(shí)間常數(shù)為電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上增加凈轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，機(jī)組由靜止到額定轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間[11-12]．水電機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)通常在1～3s左右，火電機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)通常在7～8s左右．虛擬時(shí)間常數(shù)無(wú)實(shí)際物理尺寸限制，取值范圍更寬，一般取值需與并網(wǎng)逆變器直流側(cè)電源響應(yīng)時(shí)間耦合．

3仿真分析

為驗(yàn)證所提出控制策略的合理性與可行性，在Matlab/Simulink環(huán)境下對(duì)并網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制仿真研究．模擬分布式能源接入電網(wǎng)，進(jìn)行電網(wǎng)參數(shù)整定．直流側(cè)電壓為750V，網(wǎng)側(cè)線電壓500V，脈寬調(diào)制載波頻率為2kHz，樣本采樣周期為2μs，仿真時(shí)間1s．具體參數(shù)見表1．

表1　系統(tǒng)參數(shù)

圖4　仿真模型

仿真模型如圖4所示，在仿真初始時(shí)刻系統(tǒng)帶3 kW有功負(fù)荷啟動(dòng)，在0.2 s時(shí)增加3 kW有功負(fù)荷，系統(tǒng)運(yùn)行至0.5 s時(shí)增加4 kVar無(wú)功負(fù)荷，無(wú)功負(fù)荷由0階躍至4 kVar，最終在0.8 s時(shí)切除所有負(fù)荷．上述負(fù)荷變化條件不變，基于虛擬同步電機(jī)控制的并網(wǎng)逆變器輸出功率波形如圖5所示，系統(tǒng)頻率、電壓波形如圖7所示；常規(guī)并網(wǎng)逆變器輸出功率波形如圖6所示．對(duì)比圖5與圖6可知，常規(guī)并網(wǎng)逆變器在接入負(fù)載瞬間產(chǎn)生非常大的有功尖沖，在0.5 s增加無(wú)功負(fù)荷時(shí)，有功功率由于缺乏有效控制，造成有功墜落，無(wú)法按要求向電網(wǎng)輸送功率；本文所設(shè)計(jì)并網(wǎng)逆變器功率調(diào)節(jié)功能很好地完成了對(duì)功率指令的跟蹤，輸出功率出現(xiàn)了同步發(fā)電機(jī)所具有的震蕩特性，能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)有功、無(wú)功功率的輸出，滿足并網(wǎng)逆變器控制要求．

圖5　模擬同步電機(jī)控制逆變器PQ輸出波形

圖6　頻率電壓波形

由圖7可知，在控制策略上采用模擬同步電機(jī)的特性，使得電壓、頻率波形波動(dòng)保持在電網(wǎng)要求范圍之內(nèi)，能夠滿足分布式能源在孤網(wǎng)運(yùn)行模式下維持電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求．

圖7　常規(guī)并網(wǎng)逆變器PQ輸出波形

4結(jié)論

本文提出一種模擬同步發(fā)電機(jī)慣性、阻尼環(huán)節(jié)的分布式能源并網(wǎng)逆變器控制策略．建立起完整數(shù)學(xué)模型，借鑒同步電機(jī)調(diào)壓、調(diào)頻機(jī)制完成逆變器控制策略的制定，經(jīng)過仿真驗(yàn)證了所提出策略的合理性．此策略使并網(wǎng)逆變器的慣性、阻尼得到提高，可增強(qiáng)分布式可再生能源應(yīng)對(duì)系統(tǒng)隨機(jī)震蕩的能力．其設(shè)計(jì)參數(shù)雖借鑒于同步電機(jī)但由于其不受制造技術(shù)限制，參數(shù)設(shè)計(jì)范圍更廣，調(diào)節(jié)域更大；但由此也使參數(shù)整定難度增加，容易出現(xiàn)調(diào)節(jié)失常；同時(shí)受電力電子器件耐壓、反響恢復(fù)時(shí)間等參數(shù)的限制，逆變器控制參數(shù)與電路拓?fù)溥€有待于進(jìn)一步優(yōu)化，以提高微網(wǎng)的性能．

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[責(zé)任編輯張莉]

Study of Control Strategy for Grid Connected Inverter Applied

to Distributed Renewable Energy Source

Wang GuixinTang DayouChen HaidongCheng Junxiang

(Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for New Energy Microgrid, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractIn order to satisfy the demand of distributed renewable energy sources to paralleling in the grid, the idea of operating an inverter to simulate a synchronous generator (SG) is motivated and developed. The mathematical model of grid-connected inverter has already established, including characteristics of inertia and damping. The real and reactive power delivered by grid-connected inverter operated as SG can use the virtual toque and virtue frequency regulator. In island mode, the inverter will retain voltage and frequency stability and on the other hand in grid-tied mode to realize the power tracking. According to this control tactics, it is improved that the renewable power generation system is stable. The simulation results prove the feasibility of this method.

Keywordsdistributed generation；grid-connected inverter；virtual synchronous generator； voltage and frequency regulation

基金項(xiàng)目：人才科研啟動(dòng)基金(KJ2014B016)

中圖分類號(hào)：TM464

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-948X(2015)06-0075-05

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.016

通信作者：王歸新(1961-)，男，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，新能源微電網(wǎng)的運(yùn)行與控制．E-mail：446992136@qq.com

收稿日期：2015-09-25 2015-06-27