新能源并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)研究

趙 海

（安徽省蚌埠市交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法大隊(duì)，安徽 蚌埠 233000）

近期受各種因素影響，化石能源價(jià)格暴漲，以化石能源為基礎(chǔ)的能源生產(chǎn)、消費(fèi)方式不斷受到?jīng)_擊，這些現(xiàn)象進(jìn)一步凸顯了能源安全風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)際能源署近期發(fā)表的報(bào)告中數(shù)據(jù)表明，2021年度，全球可再生能源裝機(jī)容量穩(wěn)步增加，與2020年度相比，新增裝機(jī)容量約6%。根據(jù)中國(guó)能源局?jǐn)?shù)據(jù)，2021年度，風(fēng)電、光伏發(fā)電量占全社會(huì)總用電量的比例約為10%[1]。從長(zhǎng)期來看，為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)，我國(guó)仍需大力發(fā)展新能源發(fā)電，新能源的大力發(fā)展可以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，降低用電成本，治理環(huán)境污染問題，是擺脫化石能源發(fā)展路徑依賴，實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的重要推手。

可再生能源分為風(fēng)電、太陽能、微生物能、水能和海洋能等，可再生能源是新能源的主要組成部分之一，新能源發(fā)電包含多種類型，主要包括風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃料電池發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電等形式。目前來看，風(fēng)電、光伏在新能源發(fā)電中占有較大的比重，是新能源發(fā)電的主力軍，其中，光伏發(fā)電的占地面積小，部署方便，成本較低，光伏發(fā)電不僅可以接入電網(wǎng)，也可以孤島運(yùn)行，為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供電能，集中式光伏電站可以將電能直接輸送到電網(wǎng)。與火力發(fā)電采取蒸汽輪機(jī)帶動(dòng)同步發(fā)電機(jī)的方式不同，光伏發(fā)電通過太陽能電池板獲取能量，太陽能電池板產(chǎn)生的直流電無法直接輸送到電網(wǎng)中，需要使用逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，因此，逆變器性能的優(yōu)劣，決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，研究逆變器的控制技術(shù)對(duì)推廣光伏發(fā)電具有重要的意義。

并網(wǎng)逆變器的控制方案有多種，當(dāng)采用電網(wǎng)電壓定向方案時(shí)，通常利用電流環(huán)控制確保輸出電流穩(wěn)定性，同時(shí)引入電壓前饋控制提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，鎖相環(huán)用于確保相位同步。為了在弱電網(wǎng)下提高逆變器的穩(wěn)定性，查曉宇等[2]提出了一種基于電容電流反饋主動(dòng)阻尼，采用微分控制器的改進(jìn)型全前饋策略，解決了電網(wǎng)電壓前饋誤差問題且降低接入點(diǎn)的諧波含量。張興等[3]考慮了電網(wǎng)阻抗和鎖相環(huán)帶寬對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的限制，提出了一種改進(jìn)的前饋控制方法，以減小鎖相環(huán)輸出對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。王[4]提出一種改進(jìn)PI控制器的參數(shù)，利用電容電流反饋的有源阻尼方法，可在不增加額外控制策略的情況下減少鎖相環(huán)的負(fù)面影響。

本文圍繞三相光伏并網(wǎng)逆變器的控制技術(shù)展開，對(duì)光伏逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型和控制參數(shù)的整定問題進(jìn)行研究，并提出利用Matlab/Simulink軟件輔助參數(shù)整定的方法，最后通過仿真驗(yàn)證模型的正確性。

1 并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型

1.1 常見坐標(biāo)變換

所謂坐標(biāo)變換，就是通過不同的坐標(biāo)變換矩陣，將電氣分量變換到不同的坐標(biāo)軸上，達(dá)到簡(jiǎn)化運(yùn)算，便于理解的目的。

1.1.1 clark變換

clark變換用于將abc三相靜止坐標(biāo)系中的分量投影到αβ坐標(biāo)系中，設(shè)三相對(duì)稱電壓幅值關(guān)系式為

式中：Um為電網(wǎng)電壓的基波幅值；ω為電網(wǎng)電壓的角速度；t為時(shí)間。

寫成矢量形式，得到三相合成矢量

將式（1）帶入式（2）中得

根據(jù)歐拉公式可知

由式（4）可知，合成矢量是一個(gè)幅值為3/2Um，以角速度ωt轉(zhuǎn)動(dòng)的矢量。為了確保變換前后矢量的幅值保持不變，在變換矩陣前乘2/3，各坐標(biāo)軸遵循圖1（a）中坐標(biāo)軸所示關(guān)系，得到clark變換

圖1 不同量之間的關(guān)系

1.1.2 park變換

park變換由Robert H.Park最先提出，目的是將三相靜止坐標(biāo)系中的abc分量或αβ分量投影在旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系上，采用不同的坐標(biāo)系會(huì)得到不同的park變換矩陣。

當(dāng)采用圖1（a）所示的坐標(biāo)系時(shí)，將αβ分量轉(zhuǎn)變?yōu)閐q分量的park變換為

1.2 并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型

并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，6個(gè)開關(guān)管構(gòu)成三相橋式電路，直流側(cè)電壓為Udc，濾波電感值為L(zhǎng)，電感寄生電阻值為R。

圖2 并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2.1 三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

以三相電源中性點(diǎn)N為參考電位點(diǎn)，利用基爾霍夫電壓定律即可寫出并網(wǎng)逆變器在三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程

式中：Ua，Ub，Uc是逆變器橋臂輸出相電壓；Ea，Eb，Ec是電網(wǎng)三相電壓；Ia，Ib，Ic是逆變器輸出相電流，對(duì)于向電網(wǎng)輸送能量的并網(wǎng)逆變器，電流方向由逆變器流向電網(wǎng)。

1.2.2 兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)式（5）可知，利用矩陣Tabc-αβ可將三相靜止abc坐標(biāo)系中的電壓方程轉(zhuǎn)換為兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的電壓方程，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的電壓方程為

1.2.3 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型將式（6）帶入式（8）中可得

進(jìn)一步化簡(jiǎn)并進(jìn)行拉氏變換可知dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的并網(wǎng)逆變器交流側(cè)電壓方程為

2 基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制模型

基于電網(wǎng)電壓定向的電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)采取鎖相環(huán)（PLL）獲取電網(wǎng)相位信息，利用park變換實(shí)現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的控制?？刂葡到y(tǒng)包含2個(gè)控制環(huán)，即直流電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。其中，外環(huán)調(diào)制電網(wǎng)電流參考值并確保直流電壓穩(wěn)定，內(nèi)環(huán)確保輸出電流跟隨參考值。雙環(huán)控制系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

2.1 基于電網(wǎng)電壓定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

根據(jù)瞬時(shí)功率理論[5]可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓合成矢量E與同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的d軸對(duì)齊時(shí)，得到基于電網(wǎng)電壓定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，如圖1（b）所示。通過控制dq軸的電流分量id，iq就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有功無功的解耦控制。

2.2 電流內(nèi)環(huán)及其參數(shù)整定

2.2.1 內(nèi)環(huán)模型的推導(dǎo)

式（10）表明，d、q分量之間存在的耦合量會(huì)影響系統(tǒng)控制精度。本文采取前饋解耦方法實(shí)現(xiàn)dq軸之間的解耦控制。如圖3所示，通過前饋解耦，使d軸中的q軸分量ωLIq（s），q軸中的d軸分量-ωLId（s），分別被前饋量-ωLIq（s），ωLId（s）抵消。穩(wěn)態(tài)下，電網(wǎng)電壓E為恒定值，解耦后發(fā)現(xiàn)Ud（s）與Id（s）之間存在控制關(guān)系，可以在電流環(huán)中引入PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，q軸同理。寫出含有控制器的表達(dá)式

式中：kpi為電流環(huán)比例系數(shù)；kIi為電流環(huán)積分系數(shù)為dq電流參考。根據(jù)式（11），繪制處電流內(nèi)環(huán)控制框如圖3所示。

由圖3可知，電網(wǎng)電壓的前饋補(bǔ)償系數(shù)設(shè)置為kf，用于補(bǔ)償電網(wǎng)電壓的干擾[6]，kPWM表示逆變器的增益，引入延遲環(huán)節(jié)T作為采樣時(shí)間。

圖3 電流內(nèi)環(huán)控制框圖

2.2.2 內(nèi)環(huán)參數(shù)的求解

根據(jù)圖3求出電流內(nèi)環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)

對(duì)于Ⅰ型系統(tǒng)，可以采取降階法，令τIi=L/R，將系統(tǒng)降為二階系統(tǒng)，再比照二階系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)形式，求出阻尼比和自然振蕩頻率

通?？闪钭枘岜圈?0.707，將相關(guān)參數(shù)代入后即可求出控制器的參數(shù)。此時(shí)參數(shù)直接使用往往不能達(dá)到最佳效果，仍需通過在線仿真等方式調(diào)整，增加了在現(xiàn)場(chǎng)的工作量。根據(jù)筆者工作經(jīng)驗(yàn)，提出利用Matlab/Simulink軟件輔助設(shè)計(jì)的方法，在仿真中引入控制框圖及實(shí)際參數(shù)，利用Simulink軟件中的control system控制系統(tǒng)工具箱輔助參數(shù)的確定，該工具箱可以顯示多條響應(yīng)曲線，方便對(duì)比不同參數(shù)在響應(yīng)速度、系統(tǒng)帶寬等性能指標(biāo)上的優(yōu)劣，同時(shí)還可以自動(dòng)計(jì)算穩(wěn)定裕度，大大提高了工作效率。

2.3 電壓外環(huán)及其參數(shù)整定

光伏板通過boost電路將能量傳遞給下一級(jí)電路，光伏輸出功率易受環(huán)境影響而變化，導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器的直流側(cè)電壓Udc并不是恒定值，因此引入電壓外環(huán)控制器。其開環(huán)傳遞函數(shù)為

式中：Gi（s）為式（12）所述電流內(nèi)環(huán)控制器的閉環(huán)傳遞函數(shù)；UDC為直流側(cè)電壓穩(wěn)態(tài)值；C為直流側(cè)電容值。

與電流內(nèi)環(huán)的求解方法類似，電壓外環(huán)的參數(shù)整定可以采取二階最佳整定法，也可以采取仿真求解法，需要注意的是，工程實(shí)踐中外環(huán)輸出作為內(nèi)環(huán)的參考值，要求外環(huán)的帶寬遠(yuǎn)小于內(nèi)環(huán)帶寬，通常外環(huán)帶寬是內(nèi)環(huán)帶寬的1/60～1/50。

3 仿真驗(yàn)證

使用Simulink軟件提供的“control system”控制系統(tǒng)工具箱中的“Model Linearizer”線性化工具箱，仿真PI控制器取不同參數(shù)值時(shí)的情況，得到如圖4所示的多條頻域響應(yīng)曲線，綜合來看，選取2號(hào)系統(tǒng)最為合適。

圖4 多個(gè)系統(tǒng)的頻域響應(yīng)

為進(jìn)一步驗(yàn)證，在Simulink中搭建仿真模型，將相關(guān)參數(shù)輸入到仿真模型后進(jìn)行仿真，得到逆變器輸出電流如圖5所示。

圖5 逆變器輸出電流

仿真結(jié)果顯示，逆變器穩(wěn)態(tài)輸出電流波形為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，波形基本無畸變，經(jīng)過快速傅里葉變換分析可知，諧波含量為2.03%，處于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，同時(shí)采取仿真輔助設(shè)計(jì)的方法，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間。

4 結(jié)論

本文主要推導(dǎo)了并網(wǎng)逆變器在不同坐標(biāo)系下的模型，給出了基于電網(wǎng)電壓定向的逆變器控制模型的控制框圖并給出了相關(guān)參數(shù)的求解方法，利用park變換將abc靜止坐標(biāo)系下的分量轉(zhuǎn)變?yōu)閐q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量，通過電壓外環(huán)PI控制器確定d軸電流的參考量，使用電流內(nèi)環(huán)PI控制器確保輸出電流值始終跟蹤給定參考值。電流內(nèi)環(huán)的解耦控制可以分別控制并網(wǎng)有功功率和無功功率，為大規(guī)模光伏實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，參與電網(wǎng)的調(diào)壓等提供了條件。