基于電流無(wú)差拍和PI復(fù)合控制的新能源并網(wǎng)技術(shù)

趙 越

(國(guó)網(wǎng)山西省電力公司 檢修分公司，山西 太原 030032)

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基于電流無(wú)差拍和PI復(fù)合控制的新能源并網(wǎng)技術(shù)

趙 越

(國(guó)網(wǎng)山西省電力公司 檢修分公司，山西 太原 030032)

為了提高新能源整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)的性能，在分析無(wú)差拍控制和PI控制的工作原理基礎(chǔ)上，提出了基于電流無(wú)差拍和PI復(fù)合控制的PWM逆變的控制策略。通過Matlab/Simulink建模仿真三相并網(wǎng)系統(tǒng)，采用LCL濾波器濾波。當(dāng)系統(tǒng)接三相對(duì)稱純阻性負(fù)載和整流性負(fù)載時(shí)，將系統(tǒng)逆變電壓與電網(wǎng)電壓、逆變電流與電網(wǎng)電壓進(jìn)行比較，以及對(duì)三相逆變電流進(jìn)行諧波分析。仿真結(jié)果表明，該并網(wǎng)控制策略能較好地跟蹤電網(wǎng)電壓，波形畸變較小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

新能源；電流無(wú)差拍；PI控制；逆變電流；逆變電壓

隨著能源危機(jī)與環(huán)境污染的加劇，尤其是人類用電需求增加，太陽(yáng)能、風(fēng)能、水力發(fā)電、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、潮汐能等新能源發(fā)電已成為研究的重點(diǎn)[1-5]。新能源發(fā)電的核心部件就是并網(wǎng)逆變器。并網(wǎng)逆變器作為新能源發(fā)電系統(tǒng)，中實(shí)現(xiàn)新能源與電網(wǎng)間能量的傳遞與轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此其控制方法的選擇對(duì)于新能源并網(wǎng)具有重要意義[6-8]。早期的PWM非線性控制方法有瞬時(shí)比較方式和三角波比較方式，但其均存在著一些缺陷與不足，比如誤差大、電路復(fù)雜、響應(yīng)慢[8]等。隨著數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，電流雙閉環(huán)控制，電流滯環(huán)跟蹤控制，電流偏差預(yù)測(cè)控制，有無(wú)差拍PWM控制等多種控制策略[9-13]。

無(wú)差拍控制就是根據(jù)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)信息和狀態(tài)方程推算出下一采樣周期的開關(guān)控制量，最終達(dá)到輸出量跟蹤輸入量的目的，因此對(duì)運(yùn)算的實(shí)時(shí)性要求較高。無(wú)差拍控制是數(shù)字控制特有的一種控制算法，其能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差且開關(guān)頻率固定，動(dòng)態(tài)反應(yīng)快。但無(wú)差拍控制無(wú)法較好地跟蹤電網(wǎng)電壓，所以將其與PI控制相結(jié)合，兩者結(jié)合可使電流無(wú)差拍控制能較好地跟蹤電網(wǎng)電壓，電流的諧波在規(guī)定的范圍內(nèi)。通過Matlab/Simulink的仿真實(shí)驗(yàn)，證明了該控制方法的正確性和有效性。

1 無(wú)差拍控制原理

三相新能源發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 三相新能源發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其中，直流母線電壓Udc由新能源提供，Udc逆變經(jīng)LCL濾波接至電網(wǎng)Ug，通過調(diào)節(jié)輸出電流IL2實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。圖中L1為逆變器側(cè)電感，L2為網(wǎng)側(cè)電感。設(shè)U、V、W三相的電網(wǎng)電壓分別為ea、eb、ec，由三相對(duì)稱系統(tǒng)的基爾霍夫電壓定律，回路電壓方程為

(1)

(2)

由于逆變器上下橋臂的導(dǎo)通在一個(gè)控制周期內(nèi)是對(duì)等的，則可得三相逆變器上橋臂3個(gè)開關(guān)器件的總導(dǎo)通時(shí)間和下橋臂3個(gè)開關(guān)器件的總導(dǎo)通時(shí)間在一個(gè)控制周期內(nèi)相等，即得

ΔdU+ΔdV+ΔdW=1.5

(3)

由式(1)～式(3)三式聯(lián)立方程組求解，可得三相逆變橋的PWM信號(hào)的占空比為

(4)

2 并網(wǎng)系統(tǒng)LCL濾波器的設(shè)計(jì)

LCL濾波器對(duì)高頻分量呈高阻抗，對(duì)高頻諧波電流可起到較大的衰減作用[14]，LCL濾波器的幅相頻特性如圖2所示。LCL濾波器通常用于較低開關(guān)頻率的中大功率場(chǎng)合[15]。本文針對(duì)較大功率的并網(wǎng)逆變器進(jìn)行電流控制技術(shù)研究。因此，采用LCL濾波器作為輸出濾波。

圖2 LCL濾波器的幅相頻特性

LCL各參數(shù)的計(jì)算[15]。

(1)電感L1的計(jì)算

(5)

式中，U為網(wǎng)側(cè)相電壓有效值；isip為諧波電流，總電感值的約束條件

(6)

其中，Udc為直流母線電壓；Em為網(wǎng)側(cè)相電壓峰值；Im為相電流峰值

L≥Udc/8isipfsw

(7)

(2)計(jì)算電容C。取電容消耗的無(wú)功功率為總功率的5%，利用約束條件C≤5%Cb，其中Cb=1/wbzb，且zb=E2/p。其中，E為網(wǎng)側(cè)線電壓有效值；wb為基波頻率。確定諧振頻率fr，10f≤fr≤0.5fsw，再根據(jù)公式

(8)

電容所串電阻Rd

“為了堅(jiān)持黨的領(lǐng)導(dǎo)，必須努力改善黨的領(lǐng)導(dǎo)”［7］268，鄧小平的這句至理名言也完全適用于黨的領(lǐng)導(dǎo)與基層民主的關(guān)系。基層民主在經(jīng)歷了跨越式的大發(fā)展后，目前也出現(xiàn)了“選舉疲勞”等阻礙基層民主發(fā)展的現(xiàn)象，在基層民主發(fā)展的道路上，特別是在基層民主縱向拓展空間的過程中，以競(jìng)爭(zhēng)性選舉為核心的鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）、縣（市、區(qū)）民主遭遇到新的瓶頸制約。這一瓶頸既不是公民意識(shí)，又不是一般的制度性匱乏，而是基層民主制度與黨的某些具體領(lǐng)導(dǎo)、組織、人事制度之間的沖突與矛盾，這一沖突與矛盾目前是以基層民主制度服從于黨的制度而解決的，而這樣的結(jié)果必然使基層民主失去生機(jī)與活力。

Rd=1/6πfr

(9)

3 逆變器控制的Simulink仿真分析

3.1 仿真中參數(shù)的計(jì)算及模型

表1 系統(tǒng)的仿真參數(shù)

3.2 基于無(wú)差拍控制并網(wǎng)仿真

以下僅以負(fù)載三相對(duì)稱純阻性負(fù)載時(shí)的情況為例，在加入無(wú)差制算法控制算法時(shí)逆變電壓和電網(wǎng)電壓的波形如圖3所示。

觀察上述波形可知，在不加入PI環(huán)節(jié)時(shí)逆變出的電壓沒有達(dá)到電網(wǎng)電壓的要求，其幅值與電網(wǎng)電壓相差接近2倍，因此在控制方法的設(shè)計(jì)中，在無(wú)差拍算法的基礎(chǔ)上又加上了PI控制，從而達(dá)到了較好的跟蹤電網(wǎng)電壓。

圖3 逆變電壓與電網(wǎng)電壓的比較

3.3 基于無(wú)差拍和PI復(fù)合控制的并網(wǎng)仿真

3.3.1 接三相對(duì)稱純阻性的負(fù)載

在無(wú)差拍控制中加入PI環(huán)節(jié)，系統(tǒng)接三相對(duì)稱負(fù)載時(shí)，將逆變電壓和電網(wǎng)電壓進(jìn)行比較如圖4所示。逆變電流和電網(wǎng)電壓進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖4 逆變電壓與電網(wǎng)電壓進(jìn)行的比較

圖5 逆變出來(lái)的電流與電網(wǎng)電壓的比較

分析圖4可明顯發(fā)現(xiàn)，逆變出的電壓和電網(wǎng)電壓同幅同頻同相位，沒有出現(xiàn)相位差，波形效果良好。由圖5可見，逆變出的電流實(shí)現(xiàn)了與電網(wǎng)電壓同頻同相，達(dá)到了并網(wǎng)的要求。通過對(duì)逆變電流進(jìn)行FFT分析，三相THD依次為0.75%、0.77%、1.34%，已能夠較好的滿足并網(wǎng)要求，達(dá)到了較理想的并網(wǎng)效果，減小了對(duì)電網(wǎng)的污染。

3.3.2 接三相對(duì)稱的整流型負(fù)載

在電網(wǎng)用電中，并不是所有接入的負(fù)載均是純阻性負(fù)載，大部分是整流負(fù)載，所以在此仿真中給出了接入整流型負(fù)載。逆變電壓和電網(wǎng)電壓比較如圖6所示。逆變電流和電網(wǎng)電壓比較如圖7所示。

圖6 逆變電壓與電網(wǎng)電壓比較

圖7 逆變電流和電網(wǎng)電壓比較

加入整流型負(fù)載時(shí)，電壓相對(duì)而言并未發(fā)生大的變化，只是相對(duì)于接入純電阻負(fù)載時(shí)有一些諧波(量值較小)，但電流的相位或幅值卻發(fā)生了較大的變化，電流并不是三相對(duì)稱。其諧波分析可知，在接入整流型負(fù)載時(shí)，波形畸變率仍滿足了并網(wǎng)要求，THD達(dá)到了3.66%、2.44%和3.05%。相比接入純阻性負(fù)載時(shí)的，雖波形畸變大，但仍可滿足并入380V三相電網(wǎng)時(shí)的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文使用無(wú)差拍和PI復(fù)合控制算法，控制并網(wǎng)逆變器，通過接三相對(duì)稱的純阻性負(fù)載和三相對(duì)稱的整流性負(fù)載，仿真分析，可得出如下結(jié)論：

(1)當(dāng)只用電流無(wú)差拍控制并網(wǎng)逆變器時(shí)，逆變電壓不能較好地跟蹤電網(wǎng)電壓，電網(wǎng)電壓的幅值約是逆變電壓的兩倍；

(2)加入PI控制，用電流無(wú)差拍和PI復(fù)合控制并網(wǎng)逆變器時(shí)，逆變電壓的能較好地跟蹤電網(wǎng)電壓，且逆變電流的波形良好，波形畸變率能滿足并網(wǎng)要求，驗(yàn)證了電流無(wú)差拍和PI復(fù)合控制的有效性；

(3)接入三相對(duì)稱的純阻性和整流性負(fù)載時(shí)，逆變電壓均能較好的跟蹤電網(wǎng)電壓，接整流性負(fù)載的逆變電流的波形畸變率的值比接入純阻性時(shí)大，但其波形畸變率均可滿足電網(wǎng)的要求。

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Research on New Energy Grid Based on Current Deadbeat and PI Control

ZHAO Yue

(Maintenance Branch, State Grid Shanxi Electric Power Company, Taiyuan 030032, China)

In order to improve the performance of the entire system, the paper proposes a grid-connected PWM inverter controlled by current deadbeat and PI algorithm. The simulation system with LCL filter is established by Matlab/Simulink. The inverter voltage and current are compared with the gird voltage and current respectively when the three-phase symmetrical load is connected to the system. The harmonic of the three-phase inverter current is also analyzed. The resistive load, rectified load and sudden load are connected to the system respectively. The results show that the combination of current deadbeat and PI algorithm is good in dynamic response and grid voltage tracking with small waveform distortion

new energy; current deadbeat; PI control; inverter current; inverter voltage

2016- 01- 17

趙越(1980-)，男，工程師。研究方向：高壓電網(wǎng)并網(wǎng)控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.042

TK01

A

1007-7820(2016)11-150-05