一種改進(jìn)的QPR并網(wǎng)逆變器控制策略

牛浩明，李 嵐，楊建廷，賀惟明

(太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024)

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一種改進(jìn)的QPR并網(wǎng)逆變器控制策略

牛浩明，李 嵐，楊建廷，賀惟明

(太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024)

針對(duì)傳統(tǒng)準(zhǔn)比例諧振(QPR)控制策略不能在電網(wǎng)電壓畸變條件下有效抑制并網(wǎng)電流諧波的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的QPR電流控制器. 以三相并網(wǎng)逆變器為研究對(duì)象，在αβ靜止坐標(biāo)系下建立了三相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和Simulink仿真模型，揭示了傳統(tǒng)QPR控制在電網(wǎng)電壓畸變時(shí)對(duì)并網(wǎng)電流質(zhì)量影響的機(jī)理，分析了改進(jìn)的QPR電流控制器的優(yōu)越性. 仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的QPR控制策略對(duì)比傳統(tǒng)的QPR控制具備更強(qiáng)的抗干擾能力，在電網(wǎng)電壓畸變時(shí)，能有效抑制并網(wǎng)電流的諧波畸變.

準(zhǔn)比例諧振； 并網(wǎng)逆變器； 電網(wǎng)電壓畸變； 諧波補(bǔ)償

0 引 言

能源危機(jī)和能源污染日益嚴(yán)重，人類迫切需要利用可再生能源替代原有的化石燃料[1-3]. 并網(wǎng)逆變器是連接新能源發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的核心設(shè)備. 研究逆變器并網(wǎng)控制技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)可再生能源高效并網(wǎng)有著重要意義[4].

逆變器輸出一般采用電流控制(PI)[5-6]. 在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸下使用PI控制是應(yīng)用最廣泛的電流控制策略[7-8]，但PI控制需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換與解耦運(yùn)算，對(duì)交流量無法做到無靜差控制[9]. 在αβ靜止坐標(biāo)系下使用比例諧振(PR)控制可以對(duì)α軸與β軸電壓分量與電流分量相互獨(dú)立進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流量的無靜差控制，避免了復(fù)雜的坐標(biāo)運(yùn)算[10]. 由于PR控制器的諧振頻率過窄，當(dāng)電網(wǎng)電壓頻率波動(dòng)時(shí)，控制器的抗干擾能力差并且不易實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)際控制系統(tǒng)中常采用準(zhǔn)比例諧振(QPR)控制器[11]. QPR控制在PR控制的基礎(chǔ)上增加了諧振頻率的寬度，有效降低了來自電網(wǎng)頻率波動(dòng)帶來的影響[12]. 同時(shí)對(duì)QPR控制器并聯(lián)諧波補(bǔ)償器(HC)，可以抑制并網(wǎng)電流特定頻率的諧波，獲得更加良好的并網(wǎng)電流質(zhì)量. 在理想電網(wǎng)電壓條件下，QPR控制器能輸出高質(zhì)量的并網(wǎng)電流[13].

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時(shí)，傳統(tǒng)的QPR無法有效抑制輸出電流諧波[14-15]. 針對(duì)此問題，本文提出了一種改進(jìn)的QPR控制策略，能在電網(wǎng)電壓畸變條件下，有效跟蹤基波電流，抑制低次諧波，提高并網(wǎng)質(zhì)量.

1 QPR控制策略

1.1 并網(wǎng)系統(tǒng)模型

圖1 為并網(wǎng)逆變器的主電路拓?fù)?Udc為直流側(cè)電容電壓；i1a，i1b，i1c為逆變器輸出電流；L1，L2，L3為濾波電感；R為濾波電感等效串聯(lián)電阻；iga，igb，igc為并網(wǎng)電流；Uga，Ugb，Ugc為三相電網(wǎng)電壓.

圖1 三相并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)基爾霍夫電壓定律以及Clark變換，可知系統(tǒng)在αβ靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

(1)

式中：uα,β,iα,β,ugα,gβ分別為逆變器輸出電壓、 電流、 電網(wǎng)電壓在αβ軸上的分量.

圖2 αβ坐標(biāo)系下電流環(huán)控制框圖

1.2 參考電流計(jì)算方法

三相電路在兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的瞬時(shí)功率定義為

(2)

設(shè)逆變器輸入瞬時(shí)有功與無功功率參考值為 P*和Q*，對(duì)式(2)進(jìn)行變換，得到并網(wǎng)電流參考值

(3)

本文采用逆變器單位功率因數(shù)并網(wǎng)，令瞬時(shí)無功功率給定值Q*=0，可得到逆變器并網(wǎng)電流參考值

(4)

利用αβ靜止坐標(biāo)系下瞬時(shí)功率理論計(jì)算參考電流，可以省去電網(wǎng)電壓鎖相環(huán)節(jié)與復(fù)雜的坐標(biāo)變換，提高了逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性.

1.3 QPR控制

要使并網(wǎng)逆變器擁有良好特性，必須采用有效的控制策略.QPR電流控制器在諧振頻率處有很高的增益，能對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行無靜差跟蹤，并且對(duì)電網(wǎng)頻率的波動(dòng)有一定的抗干擾能力.QPR控制器的傳遞函數(shù)為

(5)

式中：ω1為基波角頻率，ω1=100π； Kp為比例系數(shù)； Kr1為基波諧振系數(shù)； ξ1為阻尼比.

在實(shí)際應(yīng)用中為了獲得更好的并網(wǎng)電流質(zhì)量，需要在QPR控制器的基礎(chǔ)上增加HC. 其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示. 其中，QPR控制器對(duì)αβ坐標(biāo)系下參考電流進(jìn)行無靜差跟蹤，諧波補(bǔ)償器對(duì)注入電網(wǎng)的電流進(jìn)行特定次數(shù)諧波的補(bǔ)償.

圖3 QPR電流控制器

其中，HC的傳遞函數(shù)為

(6)

式中：n為需要濾除的諧波次數(shù)，本文中n=5,7;Krn為n次諧波諧振系數(shù)，ωn=n×ω1.

由圖2可以得到QPR控制并網(wǎng)電流的閉環(huán)傳遞函數(shù)

(7)

其Bode圖如圖 4 所示. 圖中，中低頻段上傳遞函數(shù)的增益為零，并網(wǎng)電流可準(zhǔn)確跟蹤參考電流.

圖4 傳統(tǒng)QPR控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖

三相并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)如圖 5 所示.

圖5 三相并網(wǎng)逆變器控制框圖

電流環(huán)采用電網(wǎng)電流反饋方式控制，由逆變器的有功功率與無功功率參考值計(jì)算出參考電流，在兩相靜止αβ坐標(biāo)系下采用QPR控制策略，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流無靜差控制.

2 改進(jìn)的QPR控制

由圖 2 可知，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)動(dòng)對(duì)并網(wǎng)電流有著直接的影響. 圖4中系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的幅值增益不僅在基頻處為0，在5次諧波頻率(250 Hz)，7次諧波頻率(350 Hz)處也接近于0. 當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或者電網(wǎng)諧波含量較大時(shí)，傳統(tǒng)的QPR控制在基波與諧波頻率處都能夠跟蹤輸入. 此時(shí)，并網(wǎng)電流無法避免參考電流中諧波的影響. 為有效跟蹤并網(wǎng)電流，使電流控制器在電網(wǎng)電壓畸變條件下仍然能輸出較高質(zhì)量的并網(wǎng)電流，本文在傳統(tǒng)的QPR控制器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn). 改進(jìn)的QPR控制器結(jié)構(gòu)如圖 6 所示，與傳統(tǒng)QPR相比，控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)相同，改進(jìn)的QPR控制保持了原來控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度、 轉(zhuǎn)折頻率方面的特性. 改進(jìn)的QPR控制與傳統(tǒng)的QPR控制不同在于電流參考信號(hào)不再通過比例及諧波補(bǔ)償環(huán)節(jié)，此舉修正了QPR控制并網(wǎng)電流的閉環(huán)傳遞函數(shù)Φ(s)，使Φ(s)具有帶通特性.

圖6 改進(jìn)的QPR控制器

其中，

(8)

(9)

對(duì)QPR控制改進(jìn)后的參考電流對(duì)并網(wǎng)電流傳遞函數(shù)的Bode圖如圖 7 所示. 與圖4相比改進(jìn)后QPR控制閉環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖中只有在電網(wǎng)頻率處的增益為0，而在其他頻率特別是5次、 7次諧波頻率處有明顯的幅值衰減作用. 說明改進(jìn)后的QPR在參考電流存在諧波條件下也能準(zhǔn)確跟蹤基波分量，對(duì)低次諧波有很好的抑制作用，能獲得良好的并網(wǎng)電流.

圖7 改進(jìn)QPR控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖

3 仿真分析

在 Matlab/Simulink 仿真軟件搭建逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)，仿真參數(shù)見表 1. 分別在理想電網(wǎng)電壓條件下與電網(wǎng)電壓畸變條件下進(jìn)行仿真.

表1 逆變器仿真參數(shù)

圖8 為理想電網(wǎng)電壓條件下并網(wǎng)電流仿真波形. 其中，圖8(a)為理想電網(wǎng)電壓，圖8(b)～(d)分別為無HC時(shí)QPR控制、 傳統(tǒng)QPR控制以及改進(jìn)的QPR控制的并網(wǎng)電流波形. 表 2 為3種控制下并網(wǎng)電流總諧波畸變率(THD). 數(shù)據(jù)表明，無諧波補(bǔ)償?shù)腝PR控制諧波畸變率較高，傳統(tǒng)的QPR控制與改進(jìn)的QPR控制都能有效降低并網(wǎng)電流諧波畸變率，得到質(zhì)量較好的并網(wǎng)電流.

表2 理想電網(wǎng)電壓時(shí)并網(wǎng)電流THD/%

電網(wǎng)電壓畸變下仿真波形如圖 9 所示. 圖9(a)的畸變的電網(wǎng)電壓由理想電網(wǎng)電壓中加入5次、 7次諧波所得，電網(wǎng)電壓總諧波畸變率為5.83%. 圖9(b)～(d)所示如同圖8. 由表 3 可以對(duì)比得出在電網(wǎng)電壓畸變的條件下，傳統(tǒng)的QPR控制不能輸出令人滿意的并網(wǎng)電流. 而改進(jìn)型的QPR控制器對(duì)逆變器并網(wǎng)電流諧波有了良好的抑制效果.

圖8 理想電網(wǎng)電壓下并網(wǎng)電流

圖9 電網(wǎng)電壓畸變下并網(wǎng)電流

表3 電網(wǎng)電壓畸變時(shí)并網(wǎng)電流THD/%

4 結(jié) 論

本文針對(duì)三相并網(wǎng)逆變器QPR控制策略，設(shè)計(jì)了一種基于αβ坐標(biāo)系下的參考電流計(jì)算方法，該方法避免了鎖相環(huán)節(jié)，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，在兩相靜止坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)了功率控制； 提出了一種改進(jìn)的QPR控制策略，在電網(wǎng)電壓畸變條件下，能有效抑制并網(wǎng)電流的諧波畸變.

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An Improved Quasi Proportional Resonant Control Strategy of Grid Connected Inventers

NIU Hao-ming，LI Lan，YANG Jian-ting，HE Wei-ming

(College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

Traditional quasi proportional resonant (QPR) control strategy can not effectively suppress the grid current harmonic when the grid voltage distortion, so an improved QPR current controller was designed. Using three-phase grid inverter as the research object, the mathematical model and Simulink simulation model of three-phase grid connected inverter system are established in theαβcoordinate system.The mechanisms of voltage distortion affecting grid current when the grid voltage distortion were revealed. The advantage of the improved current controller was analyzed. The simulation show that the improved QPR control strategy has a strong anti-jamming capability compared to traditional control and can effectively suppress the grid current harmonic distortion under distorted grid voltage.

quasi proportional resonant； grid connected inventer; grid voltage distortion； harmonic compensator

2016-03-27

牛浩明(1992-)，男，碩士生，主要從事新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的研究.

1673-3193(2016)05-0530-05

TM464

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2016.05.017