并網(wǎng)逆變器的電壓支撐控制策略的實(shí)現(xiàn)

陳益松，孫　偉，趙晨光，李建文

(1.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司九江供電公司，江西九江　332000；2. 國(guó)網(wǎng)河北省電力公司保定供電分公司，河北保定　071051；3. 國(guó)網(wǎng)河北省電力公司邯鄲供電公司，河北邯鄲　056000 ； 4.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定　071003)

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并網(wǎng)逆變器的電壓支撐控制策略的實(shí)現(xiàn)

陳益松1，孫偉2，趙晨光3，李建文4

(1.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司九江供電公司，江西九江332000；2. 國(guó)網(wǎng)河北省電力公司保定供電分公司，河北保定071051；3. 國(guó)網(wǎng)河北省電力公司邯鄲供電公司，河北邯鄲056000 ； 4.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，并網(wǎng)逆變器能夠支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓的目的，通過(guò)改變并網(wǎng)逆變器注入到電網(wǎng)的參考正負(fù)序電流來(lái)控制注入到電網(wǎng)中的無(wú)功功率大小，采用雙二階廣義積分器的鎖頻環(huán)(DSOGI-FLL)、準(zhǔn)比例諧振(QPR)電流環(huán)控制方法，利用電網(wǎng)同步、正負(fù)序提取和電流跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓支撐，達(dá)到準(zhǔn)確的鎖頻和電流無(wú)靜差快速響應(yīng)。并通過(guò)伯德圖分析，得出參數(shù)的設(shè)置規(guī)律。最終通過(guò)整個(gè)控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)； 電壓支撐；雙二階廣義積分器鎖頻環(huán)；準(zhǔn)比例諧振控制；并網(wǎng)逆變器

隨著大量的新能源發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，并網(wǎng)逆變器的控制功能越來(lái)越多，不僅能夠在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，低諧波高效并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)有功功率傳輸，而且在電網(wǎng)電壓不平衡跌落時(shí)，具有低電壓穿越能力，提供無(wú)功功率，主動(dòng)給電網(wǎng)提供電壓的支撐[1-5]。

當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡跌落時(shí)，并網(wǎng)逆變器三相電壓和注入的電流都是不平衡的，存在正、負(fù)序分量，傳送到電網(wǎng)的瞬時(shí)有功和無(wú)功功率包含2倍電網(wǎng)基波頻率的振蕩項(xiàng)[1]。并網(wǎng)參考電流的給定根據(jù)不同的控制目標(biāo)可得到不同的表達(dá)式[6-9]。主要包括:1)基于有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立控制方式,在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)以消除有功功率或無(wú)功功率的振蕩為目標(biāo)，進(jìn)而抑制直流側(cè)電容電壓的大幅波動(dòng)[6]；2)利用瞬時(shí)功率理論，實(shí)現(xiàn)對(duì)注入到電網(wǎng)的功率的實(shí)時(shí)控制[7]；3)以消除負(fù)序電流為目標(biāo)，達(dá)到向電網(wǎng)注入正弦對(duì)稱(chēng)的電流的目的，進(jìn)而保證電能質(zhì)量[8]；4)基于正負(fù)無(wú)功電流的靈活控制，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的支撐等達(dá)到多功能并網(wǎng)的目的[9]。上述控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)均需要電網(wǎng)同步技術(shù)和電流跟蹤控制。

當(dāng)三相系統(tǒng)中的電壓變得不對(duì)稱(chēng)甚至畸變時(shí)，采用的電網(wǎng)同步技術(shù)主要有：1)基于二階廣義積分器的鎖頻環(huán)(SOGI-FLL)[10]；2)基于解耦雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的鎖相環(huán)技術(shù)(DDSRF-PLL)[11]；3)基于3個(gè)單相加強(qiáng)型鎖相環(huán)(E-PLL)構(gòu)成的三相鎖相環(huán)[12]，以及以雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系鎖相環(huán)為基礎(chǔ)改進(jìn)的基于交叉解耦頻率自適應(yīng)復(fù)數(shù)濾波的電網(wǎng)同步鎖相方法[13]。以上技術(shù)都能在不對(duì)稱(chēng)的三相系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與2階廣義積分器鎖頻環(huán)大致相同的檢測(cè)功能，但后幾種的控制算法較復(fù)雜，且以相位為檢測(cè)目標(biāo)。

并網(wǎng)電流跟蹤控制可以采用dq坐標(biāo)系下比例積分控制，但在不平衡的三相系統(tǒng)中，其無(wú)法實(shí)現(xiàn)基波頻率處的無(wú)靜差控制[14]。此時(shí)可以在dq坐標(biāo)系下，對(duì)正序、負(fù)序電流分量采用PI控制補(bǔ)償電網(wǎng)電壓負(fù)序產(chǎn)生的諧波，但計(jì)算量會(huì)再加倍。比例諧振 (PR) 控制器在αβ坐標(biāo)系，同時(shí)控制正序、負(fù)序電流，不存在交叉耦合項(xiàng)，且能消除基波頻率處的穩(wěn)態(tài)誤差，但存在基波頻率失穩(wěn)的問(wèn)題。準(zhǔn)比例諧振(QPR)控制器在基波頻率下增益有限，同時(shí)還可以用剪切頻率ωc設(shè)定合適的帶寬，以提高系統(tǒng)抗電網(wǎng)頻率波動(dòng)的能力[15-17]。

本文旨在解決電網(wǎng)電壓跌落情況下，并網(wǎng)逆變器能起到電網(wǎng)點(diǎn)支撐作用的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)參考電流的設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓支撐作用，使其具備低電壓穿越能力，采用雙二階廣義積分器鎖頻環(huán)實(shí)現(xiàn)不平衡電網(wǎng)電壓監(jiān)測(cè)的同步技術(shù)，采用無(wú)靜差的準(zhǔn)比例諧振控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)正負(fù)序電流的跟蹤，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證。

1并網(wǎng)逆變器的電壓支撐控制策略

具有電網(wǎng)電壓支撐作用的并網(wǎng)逆變器的控制框圖如圖1所示，光伏陣列通過(guò)Boost電路與直流電容C并聯(lián)作為逆變器的直流側(cè)，并網(wǎng)濾波器采用L濾波器。本文研究電網(wǎng)變量監(jiān)測(cè)的電網(wǎng)同步技術(shù)(DSOGI-FLL)包含正交信號(hào)獲取技術(shù)、相序提取技術(shù)；具有電壓提升和均衡作用的參考電流的設(shè)置、控制算法在αβ靜止坐標(biāo)系中實(shí)現(xiàn)，電流控制環(huán)采用QPR控制。

圖1　并網(wǎng)逆變器的控制框圖Fig.1　Control block of grid inverter

2控制策略的實(shí)現(xiàn)

2.1雙二階廣義積分器鎖頻環(huán)(DSOGI-FLL)

雙二階廣義積分器鎖頻環(huán)包含2個(gè)基于二階廣義積分器的正交信號(hào)發(fā)生器(SOGI-QSG)和FLL增益歸一化兩部分，分別實(shí)現(xiàn)了正交信號(hào)發(fā)生器和鎖頻環(huán)的功能。

vabc在αβ靜止參考坐標(biāo)系的正、負(fù)序分量中可以通過(guò)式(1) 、式(2)求得：

(1)

(2)

式中：q為90°滯后移相算子，這一算子可以通過(guò)基于二階廣義積分器的正交信號(hào)發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，正負(fù)序分量的獲取與電網(wǎng)電壓的鎖頻通過(guò)二階廣義積分器聯(lián)系在一起，其功能實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖2　DSOGI-FLL與相序提取原理框圖Fig.2　DSOGI-FLL and the extraction of sequence

2.2參考電流設(shè)計(jì)

在αβ靜止坐標(biāo)系中，電網(wǎng)電壓正、負(fù)序分量作用于無(wú)功功率產(chǎn)生的無(wú)功參考電流[3,15],當(dāng)正序無(wú)功電流與負(fù)序無(wú)功電流共同作用時(shí)，引入變量k2控制正負(fù)序電流的比例，iα,iβ參考電流表達(dá)式為

(3)

三相逆變器采用電感L濾波，在不平衡的電網(wǎng)電壓情況下，無(wú)功功率產(chǎn)生的正、負(fù)序無(wú)功電流通過(guò)電感時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)電壓，此電壓對(duì)電網(wǎng)電壓能夠起到提升和均衡的作用，此結(jié)果已經(jīng)在文獻(xiàn)[9]中證明。從而靈活控制k2值，可以控制正負(fù)序分量從而得到合適的電流注入到電網(wǎng)。

2.3QPR電流控制環(huán)的參數(shù)選取

QPR與PR控制的傳遞函數(shù)方程如式(4)、式(5)所示：

(4)

(5)

兩者的伯德圖，如圖3所示。

圖3　QPR與PR控制的伯德圖Fig.3　Bode diagrams of the QPR and PR control

從圖3中可以看出QPR控制在基波頻率處增益比較大，而不是無(wú)限大，從而避免了比例諧振控制增益無(wú)限大引起的穩(wěn)定性問(wèn)題。

下面分析QPR控制器參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響。當(dāng)QPR控制器kP,kR,ωc取值不同時(shí)，其伯德圖如4所示。

圖4　kP,kR,ωc取不同值時(shí)　　　QPR控制的伯德圖Fig.4　Bode diagrams of QPR with different values 　　　of kP,kR,ωc

采用QPR控制，參數(shù)kR決定基波頻率處的幅值增益，kR越大其增益越大；ωc決定系統(tǒng)的帶寬，ωc越小系統(tǒng)的帶寬越??；kP影響低頻與高頻處的幅值增益以及相位裕度，kP越小，低頻與高頻處的幅值增益越小時(shí)，為了降低低頻與高頻的影響，希望kP較小，但kP很小時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)就會(huì)降低；同時(shí)QPR控制器中這3個(gè)參數(shù)相互影響作用很小。選擇QPR參數(shù)時(shí)，需增大基頻處的幅值增益，增大kR數(shù)值，以提高基頻處的穩(wěn)態(tài)誤差；選擇較大的ωc值來(lái)設(shè)定系統(tǒng)的帶寬，有助于降低控制器對(duì)電網(wǎng)電壓頻率變化的靈敏性；合適的kP值可以平衡系統(tǒng)的快速性與準(zhǔn)確性。

3用于電壓支撐的并網(wǎng)逆變器仿真

3.1DSOGI-FLL仿真

設(shè)三相電壓vabc為220V/50Hz。在0.5s時(shí)刻，電網(wǎng)發(fā)生故障，A相電壓幅值從220V驟降為180V，頻率從50Hz驟降為48Hz，相角突變?yōu)?0°；B,C兩相電壓保持正常。此系統(tǒng)參數(shù)SOGI-FLL，k=1.414，Γ=60。圖5給出了DSOGI-FLL電網(wǎng)同步法對(duì)頻率和相位的跟蹤情況。

圖5　DSOGI-FLL的頻率、相位波形Fig.5　Frequency and phase waveform under 　　　the control of DSOGI-FLL

從圖5可以看出，DSOGI-FLL電網(wǎng)同步法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率和相位的跟蹤，其響應(yīng)時(shí)間短，只有0.05 s，且超調(diào)量最小，動(dòng)態(tài)過(guò)程簡(jiǎn)單。圖6給出了通過(guò)DSOGI-FLL分解出的正、負(fù)序電壓波形圖。

圖6　DSOGI-FLL的正、負(fù)序電壓波形Fig.6　Waveform of positive and negative sequence 　　　voltage under the control of DSOGI-FLL

從圖6中可以看出DSOGI-FLL能夠在1個(gè)周期內(nèi)快速準(zhǔn)確的將正負(fù)序分解出來(lái)。

3.2 系統(tǒng)仿真

圖7　系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.7　Simulation results

根據(jù)圖1搭建的并網(wǎng)逆變器的控制框圖進(jìn)行仿真(見(jiàn)圖7)，其整個(gè)控制策略在Matlab/Simulink平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)[18]。采用2.1節(jié)的電網(wǎng)同步算法、相序提取算法；2.2節(jié)的參考電流、QPR電流環(huán)控制器算法；根據(jù)2.3節(jié)選取kP=0.4，kR=100，ωc=5，接入點(diǎn)的功率等級(jí)為10kVA，電網(wǎng)相電壓為220V。0.25～0.3s電網(wǎng)正常運(yùn)行；0.3s時(shí)刻A相發(fā)生接地短路故障，電壓出現(xiàn)不平衡跌落；0.3～0.4s是未加入電壓支撐策略的波形；0.4s后采用本文提出的電壓支撐策略，電流限值設(shè)為20A；0.4～0.5s時(shí)，系數(shù)k2的值設(shè)為1；0.5～0.6s時(shí)，系數(shù)k2的值設(shè)為0.5；0.6～0.7s時(shí)，系數(shù)k2的值設(shè)為0。

從圖7中可以看出，當(dāng)0.3s時(shí)刻電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，并網(wǎng)逆變器有功功率增加，在QPR控制策略下，電網(wǎng)電流仍能跟蹤有功參考電流，保持正弦對(duì)稱(chēng)，但由于短路故障，電壓降低，造成電流有所增大，達(dá)到36A，這時(shí)可能會(huì)超過(guò)電網(wǎng)電流的限值，因此有必要加入電流限制。從0.4s開(kāi)始使用本文的電壓支撐策略，可以明顯的看出電網(wǎng)電壓有了明顯的提升；k2=1或者k2=0時(shí)，此時(shí)只有正序分量或者負(fù)序分量流入起作用，注入到電網(wǎng)中的電流為對(duì)稱(chēng)的電流；k2=0.5時(shí)，正負(fù)序分量分別起作用，此時(shí)注入到電網(wǎng)中的電流變的不對(duì)稱(chēng)(見(jiàn)圖8)。

圖8　電網(wǎng)線(xiàn)電壓有效值的波形Fig.8　Waveform of grid RMS line voltages

從圖8可以看出，當(dāng)系數(shù)k2越接近1時(shí)，電壓的提升作用越大，k2越接近0，電壓越趨于對(duì)稱(chēng)。因此采用上述方法實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器的電壓支撐控制策略。

4結(jié)語(yǔ)

本文采用DSOGI-FLL實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)正負(fù)序信號(hào)與頻率的提取，并且采用QPR控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)正負(fù)序參考電流的跟蹤。在電網(wǎng)電壓跌落情況下實(shí)現(xiàn)了通過(guò)并網(wǎng)逆變器來(lái)支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓，仿真結(jié)果表明：在電網(wǎng)故障情況下，此策略通過(guò)靈活控制電網(wǎng)的注入電流，能夠提升均衡電網(wǎng)電壓，采用多功能并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓支撐。

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Realization of voltage support control strategy of grid-connected inverter

CHEN Yisong1, SUN Wei2, ZHAO Chenguang3, LI Jianwen4

(1. State Grid Jiangxi Electric Power Company Jiujiang Power Supply Branch Company, Jiujiang, Jiangxi 332000, China; 2. State Grid Hebei Electric Power Company Baoding Power Supply Company, Baoding, Hebei 071051, China;3. State Grid Hebei Electric Power Company Handan Power Supply Company, Handan, Hebei 056000, China; 4.School of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003, China)

Abstract:In order to realize the object that the grid-connected inverter is utilized to support grid voltage in power system when the grid voltage falls, the reactive power injected into the gird is controlled according to different positive and negative reference currents injected into the grid by the grid connected inverter. The frequency lock loop of double second-order generalized integrator (DSOGI-FLL) and quasi proportional resonant (QPR) current loop control methods are adopted, and power grid synchronization, negative sequence voltage extraction and current tracking technologies are used to realize the support of the grid power voltage with accurate frequency-locking and current floating quick response. Bode diagram is analyzed to achieve the setting rule of parameters. Finally, the simulation of the whole system verifies the effectiveness of the above-mentioned control strategy.

Keywords:power electronic technology; grid voltage support; DSOGI-FLL; QPR control；grid-connected inverter

文章編號(hào)：1008-1534(2016)03-0208-06

收稿日期：2016-01-21;修回日期：2016-03-26；責(zé)任編輯：李穆

基金項(xiàng)目：國(guó)網(wǎng)江西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(5218D014004M)

作者簡(jiǎn)介：陳益松(1986—)，男，福建建寧人，助理工程師，主要從事電力規(guī)劃設(shè)計(jì)與設(shè)備運(yùn)行管理方面的研究。通訊作者：李建文。E-mail:xiaosazzi@163.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TM712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7535/hbgykj.2016yx03005

陳益松,孫偉,趙晨光，等.并網(wǎng)逆變器的電壓支撐控制策略的實(shí)現(xiàn)[J].河北工業(yè)科技,2016,33(3):208-213.

CHEN Yisong,SUN Wei,ZHAO Chenguang,et al.Realization of voltage support control strategy of grid connected inverter[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(3):208-213.