微網(wǎng)逆變器無(wú)縫切換控制策略研究 ①

曹 剛， 宋佳宸， 鄭雪梅

(1.浪潮集團(tuán)黑龍江公司，黑龍江 哈爾濱 150060；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著化石能源消耗加劇，大量可再生能源通過(guò)分布式發(fā)電的形式接入電網(wǎng)，而并網(wǎng)逆變器作為分布式發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)之間的紐帶裝置，對(duì)其運(yùn)行控制策略進(jìn)行深入研究具有十分重要的意義。

分布式發(fā)電系統(tǒng)廣泛采用的遠(yuǎn)距離輸出模式使電網(wǎng)呈現(xiàn)高阻抗的弱電網(wǎng)特性，文獻(xiàn)[1]分析指出在電網(wǎng)阻抗不能忽略的弱電網(wǎng)情況下，鎖相環(huán)會(huì)通過(guò)公共耦合點(diǎn)(Point of Common coupling，PCC)電壓與電流控制環(huán)路產(chǎn)生耦合，從而造成不穩(wěn)定現(xiàn)象，但是沒(méi)有給出嚴(yán)格的理論分析。文獻(xiàn)[2]通過(guò)對(duì)鎖相環(huán)鎖相原理進(jìn)行分析，得出弱電網(wǎng)下鎖相環(huán)與電網(wǎng)阻抗存在很強(qiáng)的耦合關(guān)系，并證明這種耦合關(guān)系隨著鎖相環(huán)(PLL)帶寬的增加加劇。針對(duì)弱電網(wǎng)下鎖相環(huán)造成并網(wǎng)逆變器不穩(wěn)定的問(wèn)題，文獻(xiàn)[3]在詳細(xì)分析PLL參數(shù)對(duì)并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性的影響后，提出在不同的電網(wǎng)環(huán)境下根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定的相角裕度要求來(lái)設(shè)計(jì)PLL參數(shù)的方法，為鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考。文獻(xiàn)[4-5]證明了修改傳統(tǒng)PLL的同步機(jī)制可以擴(kuò)展并網(wǎng)逆變器在弱電網(wǎng)下的穩(wěn)定范圍，因此提出在PLL中引入虛擬阻抗以抵消電網(wǎng)阻抗，從而并網(wǎng)逆變器等效為通過(guò)PCC點(diǎn)與強(qiáng)電網(wǎng)相接。但是這些文獻(xiàn)均保留了PLL環(huán)節(jié)，不能從根本上解決問(wèn)題，因此文獻(xiàn)[6]提出無(wú)PLL的直接功率控制方法，在兩相靜止坐標(biāo)系中通過(guò)給定有功/無(wú)功功率與采樣的電網(wǎng)電壓做除法運(yùn)算得到電流參考值，從而使得到的電流給定值包含電網(wǎng)頻率信息。文獻(xiàn)[7-8]提出功率同步控制方法，其在穩(wěn)態(tài)時(shí)用功率同步環(huán)節(jié)測(cè)量PCC點(diǎn)電壓頻率信息取代PLL同步環(huán)節(jié)，以消除PLL給并網(wǎng)逆變器帶來(lái)的負(fù)面影響。但是上述無(wú)PLL控制策略的文獻(xiàn)提出的主要針對(duì)恒功率控制的并網(wǎng)逆變器，對(duì)于直流電壓型并網(wǎng)逆變器的控制策略并不能良好的適用。

為此，本文針對(duì)具有多能互補(bǔ)的系統(tǒng)采用具有自同步功能的直流母線電壓/無(wú)功功率控制(DC bus voltage and reactive power control type, DCVQ)型并網(wǎng)逆變器[11-12]，設(shè)計(jì)針對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的離并網(wǎng)切換工況，為了保持DCVQ型逆變器的不需要PLL的優(yōu)勢(shì)，采用了一種基于虛擬功率的預(yù)同步控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)自同步控制策略下的并網(wǎng)逆變器離并網(wǎng)無(wú)縫切換[13-16]，所采用的預(yù)同步策略在Plecs仿真平臺(tái)加以驗(yàn)證。

1 鎖相環(huán)對(duì)并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性負(fù)面影響機(jī)理分析

根據(jù)文獻(xiàn)[1]和[2]，弱電網(wǎng)下并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性會(huì)隨著PLL帶寬的增加而降低，下面對(duì)這種現(xiàn)象給出具體的理論分析。首先以傳統(tǒng)的電流矢量控制為例分析鎖相環(huán)對(duì)并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響的原因，其整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電流矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中，Uin為直流母線側(cè)電壓；La為逆變器輸出濾波電感、Lb為電網(wǎng)側(cè)濾波電感、C0逆變器濾波電容；R0是串聯(lián)阻尼電阻；Z為電網(wǎng)線路阻抗；ii(i=1,2,3)為三相輸出電流；ei(i=1,2,3)為三相輸出電壓；ui(i=1,2,3)為PCC點(diǎn)三相電壓；ugi(i=1,2,3)為三相電網(wǎng)電壓，ci(i=1,2,3)為控制環(huán)路輸出的三相調(diào)制信號(hào)。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，[10]已知，考慮鎖相環(huán)的情況下，并網(wǎng)逆變器的正、負(fù)序輸出阻抗Zp(s)和Zn(s)分別為式(1)和式(2)所示：

(1)

(2)

式中，Hi(s)(i=d,q)分別為電流環(huán)調(diào)節(jié)器；Gv(s)為電壓采樣延時(shí)環(huán)節(jié)傳函；Gi(s)為電流采樣延時(shí)環(huán)節(jié)傳函；θPLL為電網(wǎng)電壓實(shí)時(shí)相角。

Ra(s)=L1s+L2s+L1L2Cfs3/(CfRds+1)，Rb(s)=1+L1Cfs2/(CfRds+1)，

H(s)=Hi(s-j2πf1)+U1/(KmUdce-1.5sTsI1ejφi1)。

若忽略PLL，并網(wǎng)逆變器的正、負(fù)序輸出阻抗Zi_p(s)和Zi_n(s)如下式(3)和(4)所示：

(3)

(4)

為便于討論鎖相環(huán)對(duì)正負(fù)序阻抗的影響，本文定義PLL正負(fù)序等效阻抗ZPLL_p(s)和ZPLL_n(s)分別如下式(5)和(6)所示：

(5)

(6)

通過(guò)對(duì)式(1)和(3),(2)和(4)進(jìn)行比較，可以看出并網(wǎng)逆變器考慮PLL的正、負(fù)序輸出阻抗Zp(s),Zn(s)可以表示成Zi_p(s),Zi_n(s)和ZPLL_p(s)，ZPLL_n(s)并聯(lián)，即如式(7)和(8)所示。

(7)

(8)

由此分析，引入PLL等效于在并網(wǎng)逆變器輸出阻抗中并聯(lián)一個(gè)阻抗，本文將其定義為PLL等效阻抗。對(duì)此，本文繪制了PLL等效阻抗的頻率特性曲線，直觀分析其對(duì)并網(wǎng)逆變器輸出阻抗的影響，其頻率特性曲線如圖2所示。

圖2 鎖相環(huán)正負(fù)序等效阻抗頻率特性曲線

由圖2可知，PLL正、負(fù)序等效阻抗的相位在低頻段接近負(fù)180度，等同于并網(wǎng)逆變器的輸出阻抗上并聯(lián)一個(gè)負(fù)阻尼，其引入造成并網(wǎng)逆變器輸出阻抗幅值的大幅減小、相位降低。而弱電網(wǎng)的阻抗往往具有較大的幅值和感性相位。由此分析，逆變器輸出阻抗幅值的減小將使系統(tǒng)的環(huán)路增益增大，輸出阻抗相位的降低將使系統(tǒng)的相位裕量減小，在弱電網(wǎng)條件下，PLL幅頻曲線隨著PLL帶寬的增加而降低，相頻曲線負(fù)阻尼區(qū)域會(huì)逐步增大，這會(huì)進(jìn)一步加劇PLL對(duì)并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性的負(fù)面影響。這會(huì)對(duì)并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性造成負(fù)面影響。

2 多能互補(bǔ)下DCVQ自同步無(wú)縫切換控制

本文采用的具有自同步功能的DCVQ型逆變器可以等效成電壓源，當(dāng)DCVQ型并網(wǎng)逆變器工作在孤島運(yùn)行模式時(shí)，逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的幅值、頻率以及相位會(huì)產(chǎn)生偏差，如果強(qiáng)行并網(wǎng)，會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，導(dǎo)致并網(wǎng)失敗甚至損壞逆變器電路。為保持DCVQ可以無(wú)鎖相環(huán)運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，本文采用了一種基于虛擬功率的并網(wǎng)補(bǔ)償策略來(lái)實(shí)現(xiàn)DCVQ型并網(wǎng)逆變器的無(wú)縫切換[17-20]。

2.1 基于虛擬功率的DCVQ自同步原理

加入虛擬功率的并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)模型圖如圖3所示。

圖3 加入虛擬阻抗的并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)模型

圖中，Upcc和θpcc分別為逆變器側(cè)PCC點(diǎn)電壓幅值與相位，Ug和θg分別為電網(wǎng)側(cè)電壓幅值與相位，Sg是并網(wǎng)開關(guān)，Pv及Qv分別為虛擬的有功和無(wú)功功率，Zv為并網(wǎng)開關(guān)Sg兩側(cè)的虛擬阻抗，由虛擬電阻Rv和虛擬電感Lv組成。虛擬阻抗角用αv表示，由此虛擬阻抗Zv與虛擬阻抗角αv可如式(9)所示。

(9)

虛擬阻抗Zv輸送的虛擬有功功率Pv和無(wú)功功率Qv可如式(10)所示：

(10)

由式(10)可知，從Pv的影響結(jié)果上來(lái)看，電壓相位之間的差距影響遠(yuǎn)大于電壓相位之間的差距。因此設(shè)計(jì)控制Pv輸出相位，進(jìn)行相位角度的補(bǔ)償?？刂芉v進(jìn)行電壓幅值的補(bǔ)償。通過(guò) (9)、(10)，可得虛擬阻抗角αv應(yīng)該置為π/2，即虛擬阻抗為虛擬電感。

則將αv=π/2代入式(10)可得：

(11)

由式(11)可知，若滿足Upcc=Ug且θpcc=θg， PCC點(diǎn)兩側(cè)電壓相位及幅值均相等時(shí)，可以得到Pv,Qv均為0。在PCC點(diǎn)兩側(cè)電壓信息相同時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)直流電壓同步控制并網(wǎng)逆變器由孤島向并網(wǎng)運(yùn)行模式的平滑切換。

2.2 DCVQ自同步預(yù)同步控制

為了實(shí)現(xiàn)上述基于虛擬功率的并網(wǎng)補(bǔ)償理論，在圖1，圖3的基礎(chǔ)上，加入由虛擬功率控制生成的頻率和電壓幅值補(bǔ)償量，得到預(yù)同步過(guò)程中的改進(jìn)DCVQ并網(wǎng)逆變器控制框圖如圖4所示。

圖4 加入預(yù)同步控制的直流電壓同步控制算法整體框圖

其中Δω為頻率控制環(huán)的同步補(bǔ)償值；ΔU為電壓控制環(huán)的同步補(bǔ)償值，其計(jì)算過(guò)程如圖5所示。

圖5 基于虛擬功率的無(wú)縫切換控制策略框圖

圖中，S為預(yù)同步使能開關(guān)，通過(guò)測(cè)量并網(wǎng)開關(guān)Sg兩側(cè)電壓Upcc和Ug，將其分別帶入式(11)計(jì)算出虛擬阻抗傳輸?shù)奶摂M有功功率Pv和虛擬無(wú)功功率Qv，參考值置為0，得到信號(hào)經(jīng)過(guò)PI控制器后輸出Δω和ΔU，補(bǔ)償值加到DCVQ控制并網(wǎng)逆變器算法中圖5所示的位置，通過(guò)閉環(huán)控制最終實(shí)現(xiàn)Pv和Qv均為零的控制目標(biāo)，此時(shí)并網(wǎng)開關(guān)兩側(cè)電壓相位及幅值均達(dá)到一致，預(yù)同步完成。之后斷開預(yù)同步使能開關(guān)并合上并網(wǎng)開關(guān)Sg，即可將孤島模式無(wú)縫切換至并網(wǎng)模式。

3 仿真驗(yàn)證

利用Plecs搭建直流電壓同步控制并網(wǎng)逆變器采用基于虛擬功率的預(yù)同步策略的仿真模型，對(duì)所設(shè)計(jì)的預(yù)同步策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真時(shí)間為1s。未加入預(yù)同步控制時(shí)系統(tǒng)輸出電壓、電流和功率如圖6所示。

由圖6可知，在t=0.4s給出并網(wǎng)信號(hào)之后，并網(wǎng)瞬間輸出電壓和電流均產(chǎn)生畸變，出現(xiàn)的沖擊電流約為穩(wěn)態(tài)電流的10倍，有功功率和無(wú)功功率也出現(xiàn)較大震蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

圖6 未加預(yù)同步控制時(shí)逆變器輸出電壓、電流和功率波形

圖7 加入預(yù)同步控制時(shí)逆變器輸出電壓、電流和功率波形

當(dāng)加入本文所提出的基于虛擬功率的預(yù)同步控制時(shí)，在t=0.3s時(shí)，通過(guò)閉合預(yù)同步使能開關(guān)Ssync，引入基于虛擬功率的預(yù)同步控制策略，t=0.4s時(shí)閉合并網(wǎng)開關(guān)Sg并斷開預(yù)同步使能開關(guān)Ssync，即在0.1s的時(shí)間內(nèi)使并網(wǎng)開關(guān)Sg兩側(cè)電壓幅值、頻率及相位保持一致，實(shí)現(xiàn)兩者的同步，預(yù)同步調(diào)節(jié)完成。此時(shí)系統(tǒng)輸出電壓、電流和功率如圖7所示。

由圖7可知，采用本文所述的基于虛擬功率的預(yù)同步控制策略后，直流電壓同步控制下的并網(wǎng)逆變器在由離網(wǎng)模式向并網(wǎng)模式切換瞬間，電流和電壓波形無(wú)畸變，輸出有功/無(wú)功功率尖峰及振蕩顯著削弱，在不使用鎖相環(huán)的情況下成功實(shí)現(xiàn)了DCVQ型并網(wǎng)逆變器離網(wǎng)向并網(wǎng)模式的無(wú)縫切換。

4 結(jié) 論

針對(duì)現(xiàn)有并網(wǎng)逆變器運(yùn)行多使用鎖相環(huán)來(lái)進(jìn)行控制的缺點(diǎn)，本文首先分析了鎖相環(huán)容易造成并網(wǎng)逆變器不穩(wěn)定的原因，在此基礎(chǔ)上考慮并網(wǎng)逆變器離并網(wǎng)切換的工況，為了保持直流電壓同步控制不需要鎖相環(huán)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了基于多能互補(bǔ)下的虛擬功率的預(yù)同步策略來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電壓同步控制下的并網(wǎng)逆變器離并網(wǎng)的無(wú)縫切換。仿真結(jié)果表明，本文提出的新型自同步控制策略對(duì)電網(wǎng)具有良好的頻率跟蹤性能，在此基礎(chǔ)上采用的基于虛擬功率的預(yù)同步策略能夠大幅減小其離并網(wǎng)切換的沖擊電流，實(shí)現(xiàn)直流電壓同步控制并網(wǎng)逆變器的離并網(wǎng)無(wú)縫切換。