并網(wǎng)逆變器功率和合成諧波阻抗聯(lián)合控制策略*

王湘明，張瑋瑋，王衛(wèi)鑫

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

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并網(wǎng)逆變器功率和合成諧波阻抗聯(lián)合控制策略*

王湘明，張瑋瑋，王衛(wèi)鑫

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

為了抑制電網(wǎng)中因非線性負(fù)載和電力電子器件的大量使用而產(chǎn)生的諧波，給出了并網(wǎng)逆變器的給定功率和合成諧波阻抗聯(lián)合控制策略.該策略能夠根據(jù)給定的有功功率和無(wú)功功率控制系統(tǒng)，并且在電流環(huán)電壓環(huán)上加入了諧波阻抗環(huán).Matlab/Simulink結(jié)果顯示，該控制策略能夠在實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)的同時(shí)起到有效抑制電網(wǎng)諧波的作用.仿真結(jié)果表明，此方法能夠抑制電流諧波，也使得電網(wǎng)電壓諧波得到有效抑制，并避免了電網(wǎng)線路上的諧振.

逆變器；電網(wǎng)；PR控制器；功率控制；諧波阻抗；二階廣義積分器；諧波抑制；Matlab/Simulink仿真

隨著全球環(huán)境污染和能源危機(jī)問(wèn)題的加劇，太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受到青睞，其中風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展也越來(lái)越迅速.作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，并網(wǎng)逆變器直接決定著并網(wǎng)電流的質(zhì)量.由于非線性負(fù)載及電力電子器件的使用，并網(wǎng)系統(tǒng)中不可避免存在諧波干擾.但若并網(wǎng)電流中諧波含量過(guò)高，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)和用電設(shè)備造成嚴(yán)重的危害，因此，在并網(wǎng)同時(shí)如何利用網(wǎng)側(cè)逆變器來(lái)抑制電網(wǎng)諧波已成為當(dāng)今風(fēng)電并網(wǎng)的熱門(mén)話題[1].

網(wǎng)側(cè)逆變器諧波抑制控制策略主要包括PI控制、無(wú)差拍控制、滑膜控制、重復(fù)控制以及PR控制等方法.PI控制具有簡(jiǎn)單、易于控制、方法成熟等優(yōu)點(diǎn)，是目前逆變器控制中應(yīng)用最廣泛的方式，但它無(wú)法對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行無(wú)靜差跟蹤，而且其精度、穩(wěn)定性、抗干擾能力還有待于提高[2]；無(wú)差拍控制[3]的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能有效抑制瞬時(shí)擾動(dòng)，但算法復(fù)雜，控制效果的穩(wěn)定性極大程度上依賴(lài)模型的準(zhǔn)確程度；滑膜控制[4]對(duì)于系統(tǒng)參數(shù)及負(fù)載有較好的動(dòng)態(tài)特性，但對(duì)周期性擾動(dòng)的抑制效果不理想；重復(fù)控制[5]的穩(wěn)態(tài)控制精度高，但其動(dòng)態(tài)性能較差，有一個(gè)周期的信號(hào)延遲；PR比例諧振積分器算法簡(jiǎn)單，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的PI控制，但由于電網(wǎng)頻率會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，難以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求[6-7].更重要的是單一使用上述的方法都不具備諧波抑制功能.

本文綜合已有方案，提出基于給定功率控制和合成諧波阻抗的控制策略，該策略能實(shí)現(xiàn)按照給定的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行電壓電流控制，并實(shí)現(xiàn)諧波抑制.其中，在電壓環(huán)采用準(zhǔn)比例諧振控制器進(jìn)行控制，不但能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤，而且具有良好的抗電網(wǎng)頻率波動(dòng)的能力.圖1為基于給定功率控制和合成諧波阻抗控制策略的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)框圖，其中負(fù)載為非線性負(fù)載，也代表電網(wǎng)上的諧波源[8].

圖1　網(wǎng)側(cè)逆變器控制系統(tǒng)

1　PR準(zhǔn)比例諧振控制器

因?yàn)閭鹘y(tǒng)的PID控制只能對(duì)直流量進(jìn)行控制，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦交流信號(hào)的快速、無(wú)靜差跟蹤，本文在電壓控制環(huán)引入了PR準(zhǔn)比例諧振控制器.

PR控制器是一個(gè)針對(duì)于控制對(duì)象設(shè)計(jì)的控制器，具體而言就是構(gòu)造一個(gè)傳遞函數(shù)，使其與輸入?yún)⒖夹盘?hào)具有相同的數(shù)學(xué)模型，從而對(duì)參考輸入信號(hào)進(jìn)行交流補(bǔ)償.理想PR比例諧振控制器的傳遞函數(shù)為

(1)

式中：Kp為比例項(xiàng)系數(shù)；Kr為諧振項(xiàng)系數(shù)；ωf為諧振頻率即電網(wǎng)頻率.然而，理想PR比例諧振器的帶寬過(guò)小，在諧振頻率處增益無(wú)上限，使得系統(tǒng)對(duì)參數(shù)波動(dòng)異常敏感，在實(shí)踐中并不實(shí)用.因此，本文引入了準(zhǔn)比例諧振控制器，其傳遞函數(shù)為

(2)

式中，ωc為系統(tǒng)截止角頻率.

由式(2)可以看出，準(zhǔn)比例諧振控制器的帶寬可以通過(guò)改變?chǔ)豤來(lái)變寬或變窄，從而有助于減小在電網(wǎng)頻率略有變化時(shí)系統(tǒng)的敏感性.為了分析三個(gè)參數(shù)對(duì)PR控制器的影響，圖2～4分別給出了Kr、ωc、Kp響應(yīng)波特圖.在圖2中，令Kp=0，ωc=3，曲線Kr取100、10、1；在圖3中，令Kp=0，Kr=100，曲線ωc取20、10、1；在圖4中，令Kr=100，ωc=10并保持不變，曲線Kp取50、1、0.1.

由圖2～4可以看出，Kr與系統(tǒng)增益相關(guān)，起到減小穩(wěn)態(tài)誤差作用，Kr增大則系統(tǒng)增益提高；ωc影響諧振頻率處的帶寬，ωc增大則帶寬增大；Kp同時(shí)影響系統(tǒng)增益和頻率處的帶寬，Kp增大則系統(tǒng)增益增大，同時(shí)帶寬變小.

在系統(tǒng)中，常根據(jù)以上原則用“試湊”法確定各參數(shù).先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將其中任意兩個(gè)參數(shù)設(shè)定為常量，變換另一個(gè)參數(shù)，直到系統(tǒng)穩(wěn)定為止，從而逐漸確定各參數(shù).經(jīng)試湊，本文中Kr取100，ωc取10，Kp取0.1.

圖2　Kr變化

圖3　ωc變化

2　功率控制

本文中功率控制的目的是希望系統(tǒng)能夠按照給定的功率運(yùn)行，并可以根據(jù)給定的功率得到系統(tǒng)電壓控制環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)參考電壓.

圖4　Kp變化

該控制方式的原理主要是根據(jù)給定的有功、無(wú)功功率和系統(tǒng)實(shí)際電流的有功、無(wú)功分量，得到電壓環(huán)的參考電壓值，通過(guò)參考電壓值進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)節(jié).具體來(lái)說(shuō)，首先需要測(cè)量出實(shí)際電壓、電流的有功分量和無(wú)功分量，然后在給定的有功功率和無(wú)功功率下，計(jì)算出電流的有功分量和無(wú)功分量的理論值，最后將電流的理論值與實(shí)際測(cè)量值偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可得到電壓環(huán)的參考電壓值.有功功率和無(wú)功功率的表達(dá)式為

P=UdId+UqIq

(3)

Q=UqId-UdIq

(4)

式中：P為有功功率；Q為無(wú)功功率；Ud、Uq分別為電壓的有功分量、無(wú)功分量；Id、Iq分別為電流的有功分量、無(wú)功分量.

當(dāng)給定系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率，并測(cè)得系統(tǒng)實(shí)際電壓后，由式(3)、(4)可得

(5)

(6)

式(5)、(6)中的所有有功分量和無(wú)功分量都是利用瞬時(shí)無(wú)功功率的理論檢測(cè)到的，按上述方法得到的simulink仿真圖如圖5所示.

圖5　Simulink仿真圖

3　合成諧波阻抗

電力系統(tǒng)的諧波阻抗不僅會(huì)使電壓發(fā)生畸變，還可能使系統(tǒng)產(chǎn)生諧振[9]，因此，使諧波電流流經(jīng)重新塑造的諧波阻抗，并反向疊加到電網(wǎng)上就會(huì)有效補(bǔ)償電壓的失真.諧波電流可用瞬時(shí)無(wú)功理論得到.

本文的諧波阻抗模型是利用SOGI模型實(shí)現(xiàn)的，SOGI模型是一個(gè)二階廣義積分器，其結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖6　SOGI模型結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)圖6可得該模型的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(7)

(8)

根據(jù)式(7)、(8)可得

(9)

假設(shè)輸入信號(hào)X為電流信號(hào)，Y1(s)是X的基波分量[10]，則

Y1(s)=Asinωt

(10)

式中：A為電流信號(hào)的幅值；ω為角頻率.由式(9)和式(10)可得

Y2(s)=-Acosωt

(11)

當(dāng)阻抗呈純電感時(shí)，則有

(12)

式中，Lv為虛擬電感值.由式(11)、(12)可得

Zv=ωLvAcosωt=-ωLvY2

(13)

同理，當(dāng)阻抗呈純阻性時(shí)，可得

Zv=RvY1

(14)

由以上分析可得基于SOGI模型的虛擬諧波阻抗的結(jié)構(gòu)如圖7所示.

圖7　諧波阻抗結(jié)構(gòu)框圖

4　仿真結(jié)果

采用matlab/simulink對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其相關(guān)主要仿真參數(shù)如表1所示.

表1　系統(tǒng)仿真參數(shù)

未加入具有諧波抑制功能的并網(wǎng)逆變器前，電網(wǎng)的電壓波形及其FFT分析如圖8所示，由圖8b可知，電壓諧波含量為0.15%；電流波形及其FFT分析圖如圖9所示，由圖9a可知，由于諧波源的存在，波形畸變嚴(yán)重，由圖9b可知，電流諧波含量達(dá)到33.62%.

圖8　未治理的電壓波形及其FFT分析

圖9　未治理的電流波形及其FFT分析

加入本系統(tǒng)并網(wǎng)后，電網(wǎng)電壓波形圖及其FFT分析如圖10所示；電網(wǎng)電流波形圖及其FFT分析如圖11所示.

圖10　電壓波形圖及其FFT分析

圖11　電流波形圖及其FFT分析

由圖10和圖11可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)較快，0.1 s后即可穩(wěn)定；穩(wěn)定后并網(wǎng)電壓、電流波形平滑，是理想的正弦波；電壓諧波含量下降為0.01%，電流諧波含量下降為2.84%；電壓是以標(biāo)幺值輸出，轉(zhuǎn)換為峰值平均約為311 V，電流峰值平均約為34.5 A，與給定的有功功率和無(wú)功功率計(jì)算得到的電壓和電流峰值相吻合，輸出功率也基本符合給定功率.由以上分析可以證明：基于給定功率和合成諧波阻抗的并網(wǎng)逆變器的控制策略即能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，又能抑制逆變器輸出電壓、電流諧波.

5　結(jié)　論

本文針對(duì)并網(wǎng)逆變器諧波抑制問(wèn)題，給出了基于合成諧波阻抗和給定功率控制的策略，該控制策略在功率控制基礎(chǔ)上增加了諧波阻抗環(huán)，并在電壓控制環(huán)中利用PR準(zhǔn)比例諧振控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制器進(jìn)行控制.通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性，得出以下結(jié)論：

1) 在電壓環(huán)中加入PR準(zhǔn)諧振比例諧振控制器使得并網(wǎng)逆變器能夠快速、無(wú)靜差跟蹤信號(hào)；

2) 在功率控制過(guò)程加入合成諧波阻抗環(huán)，在并網(wǎng)的同時(shí)能夠有效地抑制諧波，補(bǔ)償電壓失真并避免諧振.

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(責(zé)任編輯：景勇英文審校：尹淑英)

Combined control strategy of power and synthetic harmonic impedance for grid connected inverter

WANG Xiang-ming,ZHANG Wei-wei,WANG Wei-xin

(School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

In order to suppress the harmonics generated by the mass use of nonlinear loads and power electronic devices in the power grid,a combined control strategy of given power and synthetic harmonic impedance for grid connected inverter was proposed.This strategy could control the system according to given active power and reactive power,and the harmonic impedance loop was added to both current loop and voltage loop.The results of Matlab/Simulink simulation show that the proposed control strategy can effectively suppress the power grid harmonics,and realize the grid connection of grid connected inverter at the same time.The simulated results show that the strategy can effectively suppress the current harmonics and voltage harmonics in the power grid,and the resonance on the power grid circuit can be avoided.

inverter; power grid; PR controller; power control; harmonic impedance; second order generalized integrator; harmonic suppression; Matlab/Simulink simulation

2015-10-23.

科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(13C26212101002).

王湘明(1963-)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，副教授，主要從事風(fēng)力發(fā)電、自控技術(shù)等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.02.02

TP 391.9

A

1000-1646(2016)02-0127-06

*本文已于2016-03-02 16∶48在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1648.056.html