電流誤差信號補償技術在弱電并網(wǎng)穩(wěn)定控制中的應用

福建船政交通職業(yè)學院 劉俊萍

為解決傳統(tǒng)基于零序環(huán)流控制器的控制方法在對弱電并網(wǎng)控制時，存在并網(wǎng)不穩(wěn)定問題，開展電流誤差信號補償技術在弱電并網(wǎng)穩(wěn)定控制中的應用研究。通過計算弱電并網(wǎng)穩(wěn)定運行電氣連接功率誤差、基于電流誤差信號補償技術設計逆變器補償系數(shù)、實現(xiàn)并網(wǎng)抗阻相位角穩(wěn)定控制，提出一種全新的控制方法。通過實驗證明，新的控制方法在實際應用中能夠有效降低暫態(tài)電壓，提高電網(wǎng)的運行質(zhì)量以及運行效率。

清潔能源在電力產(chǎn)業(yè)內(nèi)的廣泛應用，在一定程度上為電力產(chǎn)業(yè)建設提供了新的指示方向。在調(diào)度電網(wǎng)資源的實際調(diào)度與運行中，受到電網(wǎng)特性的影響，傳輸電流質(zhì)量與臨近端電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性會受到負面干預，電網(wǎng)負載電壓中衍生了大量低次諧波，導致正常運行的電網(wǎng)表現(xiàn)出弱電網(wǎng)的特征，而弱電并網(wǎng)中電流誤差問題，也會影響終端傳輸電流質(zhì)量。在弱電并網(wǎng)持續(xù)運行的過程中，輸出的信號濾波穩(wěn)定性將直接影響到終端電流質(zhì)量。為了更好地實現(xiàn)與此方面相關的工作，引進電流誤差信號補償技術，實現(xiàn)電氣交互過程中對弱電并網(wǎng)穩(wěn)定運行的有效調(diào)控。

1 弱電并網(wǎng)穩(wěn)定控制方法

1.1 計算弱電并網(wǎng)穩(wěn)定運行電氣連接功率誤差

為了實現(xiàn)對弱電并網(wǎng)運行的穩(wěn)定控制，應當先明確并網(wǎng)在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，受到電氣連接功率的影響產(chǎn)生的弱電運行效應。在進行與此方面相關研究前，進行弱電并網(wǎng)電氣連接功率交互行為的描述。如圖1所示。

圖1 弱電并網(wǎng)電氣連接功率交互行為

圖1中：Q1、Q2、Q3、Q4分別表示為弱電并網(wǎng)在運行中開關的功率；Vin表示為前端輸入的直流電壓；L1、L2分別表示為弱電并網(wǎng)中逆變設備的濾波電感與電網(wǎng)側(cè)的電感；ig表示為弱電并網(wǎng)電流；PCC表示為電壓節(jié)點；Zgrd表示為電網(wǎng)的阻抗值；u0表示為在PCC點的實際電壓值；ug表示為公共電網(wǎng)電壓值；uinv表示為橋臂端輸出的直流電壓；R表示為串聯(lián)的阻尼電阻；Cf表示為電容；PLL表示為逆變器；iref表示為電流相位角度。

在完成對弱電并網(wǎng)電氣交互的描述后，應當明確逆變器在其中的鎖向電流相位電壓追蹤，可能受到電網(wǎng)畸變的影響，因此在本章的研究中，采用同步旋轉(zhuǎn)坐標軸代替鎖向電流相位電壓的描述，以此種方式對電流時域進行描述。此過程可結(jié)合SRP-PLL方程，對電網(wǎng)小波電流信號擾動或進行表示。在此基礎上，通過拉式轉(zhuǎn)換的方式，得到一個針對電網(wǎng)小波電流信號擾動的數(shù)學模型，此模型可用如下計算公式表示。

公式(1)中：TPLL(S)表示為在一個周期T內(nèi)，電網(wǎng)小波電流信號s的擾動數(shù)學表達；k表示為拉式轉(zhuǎn)換系數(shù)；φ表示為功率因數(shù)角，計算單位表示為rad；j表示為小波信號頻率；Um表示為弱電并網(wǎng)在PCC點時，電流產(chǎn)生的峰值；S表示為采樣數(shù)據(jù)；ω0表示為基波角頻率，計算單位表示為rad/s。

根據(jù)弱電并網(wǎng)的數(shù)字控制時長，引進數(shù)字控制技術，結(jié)合數(shù)字化技術的特點，獲取采樣模型，定義TS為一個數(shù)據(jù)采樣周期，此時，可將數(shù)據(jù)處理的等效信息表示為一個零階保持階段信號，而此信號在控制器執(zhí)行程序與計算時，常出現(xiàn)滯后一拍的問題，此時弱電并網(wǎng)在運行中，電氣連接功率將出現(xiàn)時延。此處時延可用如下計算公式表示。

公式(2)中：Gv(s)表示為弱電并網(wǎng)在運行中電氣連接功率的時延，為了簡化上述計算過程，可在此步驟中，定義數(shù)據(jù)采樣信息為延遲函數(shù)的方式，將獲取的功率誤差進行線性表達，按照線性表達方式，輸出對應功率處的誤差值，以此種方式，完成對弱電并網(wǎng)穩(wěn)定運行電氣連接功率誤差的計算。

1.2 基于電流誤差信號補償技術設計逆變器補償系數(shù)

按照上述操作完成對弱電并網(wǎng)穩(wěn)定運行電氣連接功率誤差的計算后，將其作為數(shù)據(jù)基礎，結(jié)合電流誤差信號補償技術，實現(xiàn)對逆變器補償系數(shù)的設計。在確定逆變器補償系數(shù)時，需要獲取逆變器在運行過程中的直流電壓、輸出功率、開關頻率、交流相電壓等參數(shù)。結(jié)合基爾霍夫電壓和電流定律，通過選取弱點并網(wǎng)控制過程中的狀態(tài)變量，將其作為流過濾波電感的電流，分析得出電網(wǎng)電壓。結(jié)合SCR定義，對電網(wǎng)阻抗的最大值進行計算，其計算公式如下：

公式(3)中，Lmax表示為電網(wǎng)阻抗最大值；SCR表示為短路比系數(shù)；f表示為弱點并網(wǎng)頻率；V表示為弱點并網(wǎng)電壓。根據(jù)上述公式(3)，計算得出電網(wǎng)阻抗的最大值，明確在弱點并網(wǎng)的過程中電網(wǎng)阻抗的變化范圍，并針對具體某一弱點并網(wǎng)的特征，在電網(wǎng)最弱的情況下，根據(jù)上述公式，計算得出其電網(wǎng)阻抗。由于弱點并網(wǎng)當中，逆變器的運行穩(wěn)定主要取決于一對復極點，隨著及分析次數(shù)的不斷增加，當達到一定程度后，又會逐漸向著水平方向移動。隨著電網(wǎng)阻抗的不斷增加，一對復極點會逐漸呈現(xiàn)出更加明顯的上升趨勢。由于在對弱點并網(wǎng)穩(wěn)定控制時，需要確保所有閉環(huán)極點均在同一平面上，并且距離水平方向越遠其穩(wěn)定性越好，因此根據(jù)這一特點，應當將各個復極點放置在特定的平面上，以此確定逆變器補償系數(shù)。

1.3 實現(xiàn)并網(wǎng)抗阻相位角穩(wěn)定控制

在明確逆變器補償系數(shù)后，通過實現(xiàn)并網(wǎng)抗阻相位角穩(wěn)定控制，達到穩(wěn)定弱點并網(wǎng)的目的。根據(jù)上述論述可知，當阻抗比的相角裕度出現(xiàn)不足的情況是，弱點并網(wǎng)當中的逆變器會出現(xiàn)部分特定諧波被放大的問題產(chǎn)生，進而影響到弱點并網(wǎng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性，還會造成諧波振蕩問題產(chǎn)生，造成更加嚴重的后果。因此，在對其進行控制時，首先需要明確穩(wěn)定狀態(tài)下的并網(wǎng)抗阻相位角，并計算得出阻抗比在交接頻率位置上的相角裕度，其計算公式為：

公式(4)中，α表示為交接頻率位置上的相角裕度；Zg(f)表示為電網(wǎng)阻抗；argZi(f)表示為并網(wǎng)逆變器輸出阻抗；f表示為交接頻率。根據(jù)上述公式可知，通過減小電網(wǎng)阻抗Zg(f)或增大電網(wǎng)逆變器輸出阻抗的方式都能夠達到提升相角裕度的目的，因此在實際弱點并網(wǎng)控制過程中，根據(jù)相角裕度變化情況，通過調(diào)節(jié)電網(wǎng)阻抗和電網(wǎng)逆變器輸出阻抗的方式，可以實現(xiàn)對并網(wǎng)抗阻相位角的穩(wěn)定控制。

2 實驗論證分析

為進一步驗證本文方法在實際應用中的效果，選擇以某單相并網(wǎng)逆變器作為實驗對象，分別利用本文提出的控制方法和傳統(tǒng)基于零序環(huán)流控制器的控制方法對該單相并網(wǎng)逆變器進行弱電并網(wǎng)穩(wěn)定控制。該單相并網(wǎng)逆變器的直流電壓為320V，電網(wǎng)電壓為220V，并網(wǎng)電流為6A，載波幅值為12V，電網(wǎng)在運行過程中的頻率為45Hz，逆變器側(cè)電感為3.2mH。為了確保最終得出的實驗結(jié)果具有公平和公正性，本文選擇在兩個控制方法當中都應用TM875-504550型號數(shù)字控制器作為其主要控制設備。

基于上述實驗準備，本文選擇將暫態(tài)電壓作為實驗評價指標，利用該指標反映兩種控制方法的實際應用效果。為了方便對兩種方法得出的控制結(jié)果進行對比，將實驗過程中產(chǎn)生的相關數(shù)據(jù)記錄，并利用Excel軟件將數(shù)據(jù)繪制成如表1所示。

表1 兩種控制方法實驗結(jié)果對比表

從表1得出的實驗結(jié)果可以看出，本文設計的控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)對弱電并網(wǎng)的穩(wěn)定控制。

結(jié)束語：本文引進電流誤差信號補償技術，對弱電并網(wǎng)穩(wěn)定控制方法展開設計與研究，并在完成對方法的設計后，通過對比實驗證明了此方法在實際應用中，具有更好的控制效果，可在后期的相關研究中，嘗試將此方法投入市場應用，致力于通過此種方法，提高弱電并網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。