林小峰,李福培,劉斌
(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,廣西南寧530004)
裝備應(yīng)用技術(shù)
微電網(wǎng)不平衡電壓的并網(wǎng)逆變器控制策略
林小峰,李福培,劉斌
(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,廣西南寧530004)
由于微電網(wǎng)中有大量的單相負(fù)載運行,其三相電壓容易出現(xiàn)不平衡。在微電網(wǎng)電壓不平衡下,并網(wǎng)逆變器傳統(tǒng)的鎖相環(huán)(PLL)控制輸出電流產(chǎn)生大量諧波,為減少輸出電流諧波,提出一種基于全通濾波器的無鎖相環(huán)直接功率控制策略。在微電網(wǎng)電壓不平衡條件下對所提出的制策略進(jìn)行驗證,實驗結(jié)果證明了該控制算法的有效性。
并網(wǎng)逆變器;電壓不平衡;直接功率控制;無鎖相環(huán)
微電網(wǎng)是一種將分布式電源、負(fù)荷、儲能裝置、變流器以及監(jiān)控保護裝置有機整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)[1]。隨著化石燃料的減少,新能源引起人們廣泛關(guān)注,微電網(wǎng)技術(shù)也得到了快速發(fā)展。
逆變器是微電網(wǎng)的一個重要的組成部分,當(dāng)逆變器在微電網(wǎng)的支路中工作時,對逆變器并網(wǎng)的基本要求是輸出與微電網(wǎng)電壓同頻、同相[2]的交流電,鎖相環(huán)技術(shù)是實現(xiàn)同步的關(guān)鍵,基于同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)(single synchronous reference frame for software phase locked loop,SSRF SPLL)是目前應(yīng)用最為廣泛的鎖相環(huán)技術(shù)。微電網(wǎng)電壓不平衡時,電壓負(fù)序分量會在dq坐標(biāo)系下產(chǎn)生二倍頻的交流分量,導(dǎo)致PLL計算鎖相角的過程會產(chǎn)生誤差,影響逆變器的控制精度,致使逆變器輸出三相電流不平衡,并伴隨有大量諧波,此時電能質(zhì)量已不能滿足要求。為了解決逆變器輸出電流含量諧波大的問題,必須研究微電網(wǎng)不平衡電壓下并網(wǎng)逆變器的控制策略。
傳統(tǒng)的提取電網(wǎng)電壓正序分量的方法有:文獻(xiàn)[3]提出的解耦的雙同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)法(Decoupled Double Synchronous Reference Frame PLL,DDSRFPLL),此方法能有效提取微電網(wǎng)電壓正序分量,但是計算大,有2個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,4個低通濾波器,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。文獻(xiàn)[4]提出的T/4周期延時法,此方法計算量小,穩(wěn)定性高,但是前提是T/4周期內(nèi)電網(wǎng)的故障類型相同,且需要較大的存儲空間存儲T/4周期的數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[5]提出的基于全通濾器改進(jìn)的三相dq鎖相技術(shù),該方法不能消除電網(wǎng)諧波對PLL的影響。上述方法都用到了鎖相環(huán)結(jié)構(gòu),輸出電流都會產(chǎn)生不同程度的諧波。
直接功率控制[6]具有功率因數(shù)高,算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,動態(tài)性能好的優(yōu)點。本文采用無鎖相環(huán)直接功率控制策略[7],通過全通濾波器對同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓量進(jìn)行90°相移的功能提取微電網(wǎng)電壓基波正序分量。再結(jié)合預(yù)設(shè)旋轉(zhuǎn)頻率法計算得到有功、無功電流參考值,省去了PLL,數(shù)字實現(xiàn)簡單,實時性好,能很好解決逆變器有鎖相環(huán)控制導(dǎo)致的輸出電流諧波含量大的問題。
為了使并網(wǎng)逆變器的輸出電流和微電網(wǎng)電壓的頻率相位保持一致,常使用PLL技術(shù)獲取微電網(wǎng)電壓的頻率相位信息。PLL能跟蹤微電網(wǎng)電壓的基波正序分量,能有效地適用于微電網(wǎng)電壓平衡時頻率、相位及幅值的檢測。如圖1所示,采樣網(wǎng)側(cè)電壓ua,ub,uc轉(zhuǎn)化成dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸和q軸分量,將q軸分量與給定值=0進(jìn)行比較,將比較值送往PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié),輸出值加上初始工頻角頻率ω,再經(jīng)過積分環(huán)節(jié)得到鎖相輸出相位θ*,此時PLL的輸出相位θ*鎖定微電網(wǎng)電壓相位θ.
圖1 SSRF SPLL原理
微電網(wǎng)電壓不平衡量表示為:
式中,Um為微電網(wǎng)電壓幅值,η、λ、ζ為常量。
將微電網(wǎng)電壓ua,ub,uc變換到dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,取d軸分量得:
SSRF SPLL將uq通過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)到0,有:
由式(2)、(3)解出鎖相角θ*的正余弦為式(4)。
將鎖相角θ*的正余弦信號使用到dq轉(zhuǎn)abc的變換矩陣中。不平衡時,假定有功電流參考值=Id,無功電流參考值=0,反饋值能夠跟蹤給定值,則并網(wǎng)逆變器輸出的電流為式(5).
從式(5)可以看出,微電網(wǎng)不平衡時鎖相角參與坐標(biāo)變換,會使逆變器輸出進(jìn)網(wǎng)電流含有大量諧波。而采取無鎖相環(huán)的方式可以很好地解決微電網(wǎng)電壓不平衡造成電流諧波含量大的問題。
直接功率控制能直接對逆變器的有功功率和無功功率進(jìn)行控制,無需解耦環(huán)節(jié),具有高功率因數(shù),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。在微電網(wǎng)電壓不平衡條件下,采用無PLL直接功率控制解決PLL控制造成逆變器輸出電流諧波含量大的問題。給定一個旋轉(zhuǎn)頻率與電網(wǎng)頻率相同的角頻率參與坐標(biāo)變換,由于給定旋轉(zhuǎn)頻率相角θ1=ωt+ω1的初相角是隨機的,因此給定旋轉(zhuǎn)頻率的相角和電網(wǎng)相角不一定重合,所以通過給定的相角變換到dq坐標(biāo)系下的分量不再對應(yīng)有功電流和無功電流,電流參考和只能由dq坐標(biāo)系下的電壓基波正序分量、和給定有功功率P*、無功功率Q*計算得到。
全通濾波器能對角頻率和微電網(wǎng)角頻率相等的交流分量進(jìn)行90°相移,再通過簡單的數(shù)學(xué)運算即可得到dq坐標(biāo)系下電壓基波正序分量。將正常的三相電壓分解成正序、負(fù)序和零序分量:
式中:上標(biāo)+、-分別表示正序和負(fù)量分量;正序電壓和負(fù)序電壓相角分別為θ+=ωt+φ+、θ-=ωt +φ-;零序分量為uz=(ua+ub+uc)/3.
三相電壓由abc坐標(biāo)系變換到dq0坐標(biāo)系下時,0軸分量為0,略去不計。所以在dq0坐標(biāo)系下的電壓udq為式(9).
因為變換矩陣角頻率ω1與電網(wǎng)電壓的基波頻率ω相等,式(9)變?yōu)椋?/p>
不平衡電壓經(jīng)過給定角頻率ω1的Park變換后,基波正序分量是直流量,基波負(fù)序分量是含有2倍頻的交流分量,此負(fù)序交流分量由式(7)引入電流基準(zhǔn)計算中,使PI調(diào)節(jié)器無法做到無靜差調(diào)節(jié)。為此引入全通濾波器濾去2倍頻的負(fù)序交流分量。
全通濾波器對直流量沒有影響,對基波信號(基波頻率為2ω)實現(xiàn)90°的相移:
ud′、uq′由ud、uq、ud′和uq′在dq坐標(biāo)系下矢量合成,如圖2、圖3所示。
圖2 合成的向量圖
圖3 基于全通濾波器的無PLL直接功率控制框圖
在Simulink仿真中,把微電網(wǎng)A相電壓降低10%,進(jìn)行傳統(tǒng)PLL控制和基于全通濾波器的無PLL直接功率控制的仿真實驗。結(jié)果如圖4、圖5.
圖4 傳統(tǒng)PLL控制仿真波形
圖5 基于全通濾波器的無PLL直接功率控制仿真波形
由圖4得,在微電網(wǎng)電壓不平衡條件下,并網(wǎng)逆變器通過傳統(tǒng)PLL控制,變換到dq坐標(biāo)系下的電壓分量是脈動直流量;由圖5得,通過基于全通濾波器的無PLL直接功率控制變換dq坐標(biāo)系下的電壓分量是穩(wěn)定的直流量,仿真結(jié)果符合理論分析。并網(wǎng)逆變器在傳統(tǒng)PLL控制下,進(jìn)網(wǎng)電流諧波含量為5.14%;在基于全通濾波器的無PLL直接功率控制下,進(jìn)網(wǎng)電流諧波含量為0.32%.
利用可編程交流電源Chroma61512模擬不平衡的微電網(wǎng)電壓,將微電網(wǎng)A相電壓降低10%.把三相光伏逆變器、可編程交流電源Chroma61512、負(fù)載并聯(lián)在一起進(jìn)行不平衡實驗,實物波形如圖6、圖7.
圖6 傳統(tǒng)PLL控制實物波形
圖7 基于全通濾波器的無PLL直接功率控制實物波形
由圖4的仿真結(jié)果和圖6的實驗結(jié)果可知傳統(tǒng)PLL控制的輸出電流發(fā)生畸變,諧波含量高;由圖5的仿真結(jié)果和圖7的實驗結(jié)果可知基于全通濾波器的無PLL直接功率控制的輸出電流諧波含量低,正弦度高??梢?,在微電網(wǎng)電壓不平衡條件下,并網(wǎng)逆變器在基于全通濾波器的無PLL直接功率控制的進(jìn)網(wǎng)電流諧波含量比傳統(tǒng)PLL控制低。
為了降低微電網(wǎng)不平衡電壓條件下的并網(wǎng)逆變器輸出電流的諧波含量,本文提出了基于全通濾波器的無PLL直接功率控制策略。在直接功率控制中通過全通濾波器提取微電網(wǎng)電壓基波正序分量,結(jié)構(gòu)簡單,計算量小。微電網(wǎng)不平衡電壓下的仿真和實驗結(jié)果表明,基于全通濾波器的無PLL直接功率控制比傳統(tǒng)PLL控制的輸出進(jìn)網(wǎng)電流諧波含量低。
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Control Strategy of Grid-Connected Inverter Based on All-pass Filter in Unbalanced Grid Voltage
LIN Xiao-feng,LI Fu-pei,LIU Bin
(School of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning Guangxi 530004,China)
As micro-grid has a large number of single-phase load operates,the three-phase voltage prone to imbalance.Under the micro-grid unbalance voltage,the grid-connected inverter traditional phase-locked loop(PLL)control will produce a large number of output current harmonics,in order to reduce the output current harmonic,this paper proposes a full-pass filter without lock Phase Power Direct Power Control Strategy.The proposed control strategy is verified under the condition of micro-grid unbalance voltage.The experimental results show the effectiveness of the proposed method.
grid-connected inverter;voltage unbalance;direct power control
TM727
A
1672-545X(2017)06-0161-03
2017-03-28
作者介紹:林小峰(1955-),男,廣西陸川人,教授,博士生導(dǎo)師,研究領(lǐng)域為新能源換轉(zhuǎn)與控制,微電網(wǎng)控制與運行;李福培(1990-),男,廣西桂平人,研究生,研究領(lǐng)域為新能源換轉(zhuǎn)與控制;劉斌(1982-),男,湖南會同人,博士,講師,研究方向為電力電子與變流技術(shù),新能源換轉(zhuǎn)與控制。