基于頻率恢復(fù)控制的逆變器主動同步策略研究

馮建周， 王曉寰， 張純江， 高彩云

(1. 計算機虛擬技術(shù)與系統(tǒng)集成河北省重點實驗室， 燕山大學(xué), 河北 秦皇島 066004;2. 電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室， 燕山大學(xué)， 河北 秦皇島 066004)

基于頻率恢復(fù)控制的逆變器主動同步策略研究

馮建周1， 王曉寰2， 張純江2， 高彩云2

(1. 計算機虛擬技術(shù)與系統(tǒng)集成河北省重點實驗室， 燕山大學(xué), 河北 秦皇島 066004;2. 電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室， 燕山大學(xué)， 河北 秦皇島 066004)

隨著微電網(wǎng)的提出，運行于獨立和并網(wǎng)雙模式的并網(wǎng)逆變器受到越來越多的關(guān)注。逆變器并網(wǎng)過程中與大電網(wǎng)的同步問題是實現(xiàn)逆變器平滑并網(wǎng)的關(guān)鍵，如何保證并網(wǎng)過程中頻率和相角的精確快速控制是主動同步控制的難點。本文提出了一種適用于下垂控制的主動同步控制策略，該策略采用頻率恢復(fù)控制方法使得并網(wǎng)逆變器工作頻率固定為額定值，主動同步過程只需考慮幅值和相角同步，簡化了控制策略，解決了采用傳統(tǒng)下垂控制時頻率和相角難以實現(xiàn)同時同步的問題。仿真和實驗驗證了該方法的有效性。

下垂控制； 平滑切換； 主動同步控制； 頻率恢復(fù)

1 引言

近年來，以可再生能源為基礎(chǔ)的分布式發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速[1]，將分布式電源與電網(wǎng)相連實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電是合理有效利用分布式電源的關(guān)鍵技術(shù)[2]。雙模式逆變器可以工作在獨立和并網(wǎng)兩種模式[3-5]。分布式發(fā)電系統(tǒng)的接口逆變器在獨立運行模式與并網(wǎng)運行模式之間的平滑切換是實現(xiàn)電網(wǎng)與分布式發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的研究重點[6]。

逆變器并網(wǎng)時刻的瞬態(tài)沖擊電流受瞬時電壓偏差和系統(tǒng)阻抗兩個因素的影響。系統(tǒng)阻抗由逆變器與電網(wǎng)之間的線路阻抗以及逆變器的輸出阻抗組成，線路阻抗與電網(wǎng)的電壓等級以及傳輸線路的距離有關(guān)，逆變器的輸出阻抗則由系統(tǒng)的控制策略決定，因此，僅通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻抗減小并網(wǎng)沖擊的方法并不實際。要實現(xiàn)逆變器雙模式運行及兩種運行模式間的平滑切換，與電網(wǎng)的同步過程是不可或缺的。若未能實現(xiàn)同步，系統(tǒng)在由獨立運行模式切換至并網(wǎng)運行模式時，在逆變器輸出電壓與電網(wǎng)瞬時電壓差較大時閉合并網(wǎng)開關(guān)，就會產(chǎn)生較大的沖擊電流，這將嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，甚至造成并網(wǎng)失敗。因此，快速、精確的主動同步控制算法是逆變器實現(xiàn)并脫網(wǎng)平滑切換的必備條件[7]。

逆變器采用下垂控制帶載運行時，其輸出電壓的頻率和幅值隨負(fù)載變化；另一方面，負(fù)載電壓與電網(wǎng)電壓的相位也有偏差，且偏差隨時間變化。為了減小并網(wǎng)沖擊，在逆變器從獨立運行模式切換至并網(wǎng)運行模式之前，必須進(jìn)行負(fù)載電壓與電網(wǎng)電壓的同步控制，即控制逆變器輸出電壓幅值、頻率和相角向電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相角逼近，最終兩者差值達(dá)到一定的閾值，滿足并網(wǎng)開關(guān)閉合標(biāo)準(zhǔn)。基于下垂控制的主動同步控制策略中，頻率差和相角差都是通過控制逆變器輸出電壓的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，頻率不同步會導(dǎo)致相角差不停變化，因此，如何實現(xiàn)頻率和相角的同時同步是主動同步控制的難點。

本文詳細(xì)介紹了基于下垂控制的頻率同步調(diào)節(jié)過程，分析了頻率和相角分時段調(diào)節(jié)的同步方法與頻率、相角同時調(diào)節(jié)的同步方法的工作原理及弊端。提出了一種基于頻率恢復(fù)控制的逆變器主動同步控制策略，頻率恢復(fù)控制保證逆變器運行過程中輸出電壓頻率恢復(fù)至額定值，主動同步控制策略只需考慮幅值和相角同步，解決了采用傳統(tǒng)下垂控制時頻率和相角難以實現(xiàn)同時同步的問題。理論分析和實驗結(jié)果表明主動同步控制策略具有良好的快速性和穩(wěn)定性。

2 頻率和相角調(diào)節(jié)

傳統(tǒng)下垂控制的表達(dá)式為[8]：

ω=ω0-m(P-P0)

(1)

V=V0-n(Q-Q0)

(2)

式中，ω、V分別為逆變器輸出電壓的頻率和幅值；ω0、V0為逆變器輸出電壓的額定頻率和額定幅值；P0、Q0分別為逆變器額定有功、無功功率；m、n分別為有功、無功下垂系數(shù)。

文獻(xiàn)[9,10]介紹了一種頻率和相角分時段調(diào)節(jié)的同步方法。為了穩(wěn)定相角差，首先進(jìn)行頻率的同步，頻率同步完成后再以一固定的頻率擾動進(jìn)行相角同步。頻率和幅值的同步控制式為：

ω=ω0-m(P-P0)+Gsynω(s)(ωgrid-ω)

(3)

V=V0-n(Q-Q0)+GsynV(s)(Vgrid-V)

(4)

式中，ωgrid、Vgrid分別為電網(wǎng)電壓的頻率和幅值。

頻率同步控制原理如圖1所示，調(diào)節(jié)過程如圖2所示。逆變器獨立運行時，P-ω下垂曲線為L1，運行點A對應(yīng)額定負(fù)載P0、額定頻率ω0。有功負(fù)載變化時，輸出電壓頻率也隨之變化。假定初始狀態(tài)下負(fù)載為P1，根據(jù)下垂控制曲線，系統(tǒng)運行于B點，輸出電壓頻率上升為ω0+Δω。啟動同步控制后，逆變器與電網(wǎng)電壓的頻率差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到頻率補償量，下垂曲線根據(jù)其大小上下移動，系統(tǒng)運行點也隨之移動，輸出電壓頻率向電網(wǎng)電壓頻率靠近。當(dāng)兩電壓頻率相同時，PI調(diào)節(jié)器輸出不再變化，下垂曲線固定為L2，即實現(xiàn)頻率同步[11]。

圖1 頻率同步控制原理Fig.1 Principle of frequency synchronization control

圖2 頻率同步調(diào)節(jié)過程Fig.2 Regulation of frequency synchronization

頻率同步完成后，將PI調(diào)節(jié)器輸入置0，其輸出固定為Δω，再以一固定的頻率擾動ΔΩ進(jìn)行相角同步。相角同步完成后，去掉ΔΩ，Δω的存在保證了頻率同步和相角同步同時實現(xiàn)，相角同步控制原理如圖3所示。

圖3 相角同步控制原理Fig.3 Principle of phase synchronization control

頻率和相角分時段調(diào)節(jié)的同步方法能夠保證逆變器輸出電壓和電網(wǎng)電壓頻率和相角的準(zhǔn)確同步。但是，相角的同步過程會對原有的頻率同步造成影響，頻率擾動的大小決定了相角調(diào)節(jié)的速度，也影響著整個主動同步控制過程的快慢。因此，在切換邏輯及頻率擾動值的設(shè)計上需予以考慮[12]。

由于相角差調(diào)節(jié)至零且不再變化時，頻率也一定是同步的，許多文獻(xiàn)只對相角差進(jìn)行同步控制，同時調(diào)節(jié)頻率差和相角差[13]。相角和幅值的同步控制式為

ω=ω0-m(P-P0)+Gsynω(s)(θgrid-θ)

(5)

V=V0-n(Q-Q0)+GsynV(s)(Vgrid-V)

(6)

式中，θ、θgrid分別為輸出相角和電網(wǎng)電壓相角。

與式(3)和式(4)相比，式(5)和式(6)簡化了同步過程。但是，同時調(diào)節(jié)頻率差和相角差會導(dǎo)致一個較長的振蕩過程，不但很難實現(xiàn)頻率和相角的同時同步，而且會對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生負(fù)面影響。

3 基于頻率恢復(fù)控制的主動同步控制

應(yīng)用P-ω下垂控制兩臺容量相同的逆變器，并聯(lián)運行系統(tǒng)在負(fù)載突變時的調(diào)節(jié)過程如圖4所示。假設(shè)初始t0時刻，兩逆變器有功負(fù)載P1(t0)=P2(t0)=P0，ω1(t0)=ω2(t0)=ω0。t1時刻，突增有功負(fù)載至Pload，且靠近DG1而遠(yuǎn)離DG2。因為DG1等效阻抗小于DG2，DG1輸出有功增加至P1(t1)以滿足負(fù)載需求，DG2輸出有功則增加至相對較低的P2(t1)，因此，ω1(t1)<ω2(t1)。DG1和DG2輸出頻率積分即相位同時減小，但是θ1相對降低以減小DG1輸出的有功功率，而θ2相對升高以增加DG2輸出的有功功率。t2時刻，ω1(t2)和ω2(t2)變化至相同的值，使得θ1和θ2以相同的速率變化而不改變其相對值，兩逆變器輸出有功固定為P1(t2)和P2(t2)，均分有功負(fù)載。

圖4 P-ω下垂控制原理Fig.4 Principle of P-ω droop control

由以上分析可知，各逆變器穩(wěn)態(tài)運行時頻率相同，因此

m1(P1-P01)=m2(P2-P02)

(7)

若選擇下垂系數(shù)m1P01=m2P02，則穩(wěn)態(tài)時各DG輸出有功功率滿足式(8)，即各逆變器輸出有功功率與其有功容量相匹配。

(8)

穩(wěn)態(tài)時，逆變器輸出電壓頻率偏離額定值，為了使頻率恢復(fù)至額定值，本文提出一種頻率恢復(fù)控制方法。以DG1為例，其控制式為：

(9)

頻率恢復(fù)控制原理如圖5所示。圖5表明，t2時刻開始頻率恢復(fù)控制，ω1(t2)與ω0(通常為0)之間的差值使得有功功率設(shè)定點P01向P1移動。因此P-ω下垂控制線向上移動，而ω1向其設(shè)定值ω0靠近。t3時刻，P01=P1，ω1=ω0，恢復(fù)過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)。為了避免對功率分配性能的影響，頻率恢復(fù)控制的常數(shù)應(yīng)盡量取大，當(dāng)兩逆變器頻率恢復(fù)控制的動態(tài)性能一致時，在恢復(fù)過程中兩臺逆變器相對相位差維持不變，因此有功功率分配狀態(tài)保持不變。

圖5 頻率恢復(fù)控制原理Fig.5 Principle of frequency recovery control

下垂控制及頻率恢復(fù)控制的輸出只與本地負(fù)載有關(guān)，穩(wěn)態(tài)時逆變器輸出電壓頻率達(dá)到額定值?；陬l率恢復(fù)控制的主動同步控制原理如圖6所示。

圖6 基于頻率恢復(fù)控制的主動同步控制原理Fig.6 Principle of active synchronization control based on frequency recovery control

圖6表明，主動同步控制器通過三相系統(tǒng)的軟件鎖相環(huán)(SoftwarePhaseLockLoop,SPLL)獲取并網(wǎng)開關(guān)兩側(cè)的PCC電壓和電網(wǎng)電壓信息[14,15]，得到角頻率擾動量Δω的計算公式為：

(10)

由式(10)可知，電網(wǎng)電壓和PCC電壓的相角差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后得到角頻率擾動量Δω，Δω使得逆變器輸出電壓頻率偏離電網(wǎng)頻率，從而控制相角差不斷減小直至為0，此時Δω恢復(fù)至0即逆變器輸出電壓頻率恢復(fù)為電網(wǎng)頻率，實現(xiàn)了相角和頻率的同時同步。

4 仿真與實驗

4.1 仿真分析

本節(jié)對提出的基于頻率恢復(fù)控制的主動同步控制策略進(jìn)行仿真分析。設(shè)置仿真參數(shù)：逆變器輸入直流電壓160V，額定輸出電壓幅值60V，角頻率ω給定值314rad/s，輸出額定有功功率500W，無功功率0var，電網(wǎng)電壓等級60V。

首先驗證頻率恢復(fù)控制的功能。系統(tǒng)帶本地阻性負(fù)載獨立運行，圖7為負(fù)載突變時逆變器輸出功率及各控制量的變化過程。圖7表明，負(fù)載突增及突減后，逆變器輸出功率立刻變化以滿足負(fù)載要求，由于頻率恢復(fù)控制的作用，有功功率的參考值跟隨負(fù)載變化，穩(wěn)態(tài)時與負(fù)載大小匹配，逆變器輸出電壓角頻率ω經(jīng)過波動后恢復(fù)至額定值。

圖7 負(fù)載突變時頻率恢復(fù)控制功能驗證Fig.7 Function verification of frequency recovery control during load mutation

主動同步控制相角調(diào)節(jié)過程如圖8所示。圖8表明，由于本文采用的頻率恢復(fù)控制，PCC電壓與電網(wǎng)電壓的相角差由電網(wǎng)頻率偏差引起，由于受電網(wǎng)電壓質(zhì)量控制，偏差很小。

圖8 主動同步控制相角調(diào)節(jié)過程Fig.8 Angle adjusting process of active synchronization

圖9為主動同步控制過程中電網(wǎng)電壓、PCC電壓和兩者之差的波形。初始時刻，逆變器獨立運行，其輸出電壓與電網(wǎng)電壓的差值隨時間變化；2s時加入主動同步控制，PCC電壓與電網(wǎng)電壓的差值逐漸減小至0；同步完成后，PCC電壓一直跟蹤電網(wǎng)電壓，兩者差值穩(wěn)定為0，因此可在此后任意時刻閉合并網(wǎng)開關(guān)。

圖9 主動同步控制加入前后電壓波形Fig.9 Voltage waveforms before and after adding active synchronization control

綜上所述，本文提出的基于頻率恢復(fù)控制的主動同步控制器可以使逆變器輸出電壓迅速跟蹤電網(wǎng)電壓，為獨立運行向并網(wǎng)運行的平滑切換提供了必要條件。

4.2 實驗驗證

搭建了采用DSP+FPGA作為主控電路的三相并網(wǎng)逆變器實驗平臺。實驗參數(shù)與仿真一致，在主動同步之前，采用三相鎖相環(huán)獲得PCC電壓和電網(wǎng)電壓的幅值、相位信息。圖10為A相電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電壓相位信息。

圖10 A相電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電壓相位信息Fig.10 Grid voltage and its phase information of A

主動同步相角調(diào)節(jié)過程如圖11所示。未加入主動同步時，相角差以非常緩慢的速度變化；加入主動同步控制器后，角頻率擾動量使得相角差迅速減小，穩(wěn)態(tài)時兩者均穩(wěn)定為0，與仿真分析一致。

圖11 主動同步相角調(diào)節(jié)過程Fig.11 Angle regulating process of active synchronization

圖12為主動同步控制過程中電壓波形。圖12表明，初始時刻逆變器獨立帶載運行，其輸出電壓與電網(wǎng)電壓差值隨時間變化。加入主動同步控制后，電壓差迅速減小后達(dá)到并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，完成同步。

圖12 主動同步控制加入前后電壓波形Fig.12 Voltage waveforms before and after adding active synchronization control

圖13為同步完成穩(wěn)態(tài)時電壓波形。圖13表明，同步后，逆變器輸出端口電壓一直保持對電網(wǎng)電壓的跟蹤，等待并網(wǎng)開關(guān)的閉合。

圖13 同步完成后穩(wěn)態(tài)電壓波形Fig.13 Voltage waveforms in steady state after synchronization completed

5 結(jié)論

本文提出的基于頻率恢復(fù)控制的主動同步控制策略，在穩(wěn)態(tài)時保證了孤島運行的逆變器工作頻率穩(wěn)定為額定值，主動同步過程僅控制調(diào)節(jié)幅值和相角同步，簡單有效地實現(xiàn)了基于下垂控制方法的并網(wǎng)同步，仿真和實驗結(jié)果驗證了其可行性。該方法的提出為基于下垂控制雙模式逆變器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了有力保障。

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Active synchronization control of inverter based on frequency recovery control

FENG Jian-zhou1, WANG Xiao-huan2, ZHANG Chun-jiang2, GAO Cai-yun2

(1. Key Lab for Computer Virtual Technology and System Integration of Hebei Province，Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China;2. Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

The inverter operating in grid-connected and islanding modes is getting more and more attention with micro-gird is put forward. The synchronization problem of inverter during connecting to the grid is the key to achieve smooth transfer between grid-connected operation and islanding operation. How to realize the frequency and phase synchronization at the same time is the chief difficulty in active synchronization control. In this paper, the active synchronization control strategy suitable for droop control was designed, and the frequency recovery control was adopted to ensure the operating frequency of the inverter fixed at rated value. Only the magnitude and phase synchronization were needed to consider during the synchronization process, which simplified the control strategy. The problem that frequency and phase angle synchronization were difficult to achieve at the same time when adopting the traditional droop control was solved. Simulation and experiment results verify the correctness and feasibility of the proposed method.

droop control; smooth transfer; active synchronous control; frequency recovery

2015-07-31

河北省高校青年基金 (QN2014183)、 燕山大學(xué)基金(14LGB010,15LGB012)、 河北省自然科學(xué)基金(F2014203192)資助項目

馮建周 (1978-), 男， 河北籍， 副教授， 博士， 研究方向為分布式系統(tǒng); 張純江 (1961-), 男, 黑龍江籍, 教授, 博士, 研究方向為分布式發(fā)電控制(通信作者)。

TM91

A

1003-3076(2016)06-0007-06