分布式發(fā)電系統(tǒng)中四橋臂逆變器控制策略

陳紅兵，張 興，楊淑英

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009;2.湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053）

分布式發(fā)電系統(tǒng)中四橋臂逆變器控制策略

陳紅兵1，2，張 興1，楊淑英1

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009;2.湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053）

由分布式電源構(gòu)成的電網(wǎng)是弱電網(wǎng)，并且給各類負(fù)載供電，針對(duì)這類電網(wǎng)的特點(diǎn)和電網(wǎng)中負(fù)載的狀況，本文提出采用四橋臂逆變器作為分布式發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)接口，提出基于帶通濾波器的分序方法和分序控制策略，解決了四橋臂逆變器基于單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的雙環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能差的問題，在此基礎(chǔ)上搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方案徹底改善了逆變器控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，極大地提高了分布式發(fā)電系統(tǒng)在不對(duì)稱負(fù)載下的運(yùn)行能力。

四橋臂逆變器;分布式發(fā)電系統(tǒng);帶通濾波器

1 引言

基于風(fēng)能、太陽能、燃料電池等新能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)以其綠色環(huán)保、靈活可靠、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注。分布式發(fā)電系統(tǒng)一般運(yùn)行于并網(wǎng)模式，但是當(dāng)電網(wǎng)故障或者在電網(wǎng)沒有覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)，分布式發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)有離網(wǎng)運(yùn)行能力。離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電能質(zhì)量易受負(fù)載特性的影響，特別是在非線性負(fù)載和不對(duì)稱負(fù)載下，分布式發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓可能具有諧波分量、負(fù)序分量和零序分量，無法滿足負(fù)載的要求。分布式發(fā)電系統(tǒng)一般采用逆變器將電能接入電網(wǎng)，在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)逆變器為負(fù)載提供所需的電能，由各種分布式電源組成的分布式電網(wǎng)是一種弱電網(wǎng)，并且電網(wǎng)中接有各類負(fù)載，針對(duì)這類電網(wǎng)和電網(wǎng)中負(fù)載的情況，四橋臂逆變器作為并網(wǎng)接口是最佳方案。

分布式發(fā)電系統(tǒng)中四橋臂逆變器帶不對(duì)稱負(fù)載能力的強(qiáng)弱很大程度上取決于它的控制策略。四橋臂逆變器常用的控制策略有:單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙環(huán)控制策略［1-3］，該控制策略不能對(duì)負(fù)載電壓的負(fù)序分量和零序分量進(jìn)行有效控制，負(fù)載電壓的對(duì)稱度不高;基于 PID算法的電壓?jiǎn)苇h(huán)控制策略［4-5］比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但是不能有效地限制電感電流;文獻(xiàn)［6-7］提出了基于對(duì)稱分量法的雙環(huán)控制策略，但文獻(xiàn)［6］闡述了采用全通濾波器來延時(shí)1/4周期的分序算法，該分序算法對(duì)電網(wǎng)頻率變化非常敏感。

為了提高分布式發(fā)電系統(tǒng)中四橋臂逆變器帶不對(duì)稱負(fù)載的能力，本文采用了一種基于帶通濾波器的分序算法，在分序的基礎(chǔ)上構(gòu)建了分序控制策略，實(shí)驗(yàn)表明采用分序控制策略控制的四橋臂逆變器輸出的穩(wěn)態(tài)電壓對(duì)稱度高。

2 四橋臂逆變器的數(shù)學(xué)模型

分布式發(fā)電系統(tǒng)中四橋臂逆變器如圖1所示，第1橋臂通過電感Lf與負(fù)載中性點(diǎn)相連。根據(jù)電路定律建立逆變器在abc坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型，然后將abc坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中的數(shù)學(xué)模型如下［8-9］:

圖1 四橋臂逆變器Fig.1 Four-leg inverter

式中，Udc、ud、uq和 u0分別為直流側(cè)電壓、負(fù)載電壓的 d軸、q軸和0軸分量;id、iq、i0分別為電感電流的d軸、q軸和0軸分量;iLd、iLq、iL0分別為負(fù)載電流的d軸、q軸和0軸分量;dd、dq、d0分別為占空比的d軸、q軸和0軸分量。

3 基于帶通濾波器的分序方法

為了確保分布式供電系統(tǒng)中逆變器輸出電壓的質(zhì)量，不僅需要控制輸出電壓的正序分量，還必須有效地控制輸出電壓的負(fù)序和零序分量。所以在設(shè)計(jì)逆變器控制系統(tǒng)之前，需要對(duì)四橋臂逆變器的輸出電流和負(fù)載電壓進(jìn)行相序分解。下面以分解三相不對(duì)稱負(fù)載電壓為例闡述本文采用的分序方法，假設(shè)不對(duì)稱負(fù)載電壓為

運(yùn)用對(duì)稱分量法(如式(5）～式(7））把電壓分解成正序、負(fù)序和零序等三組對(duì)稱的電壓分量，這三組對(duì)稱分量分別用up(t）、un(t）和uz(t）表示。

首先采用變換陣 Tαβ把u(t）的正序分量和負(fù)序分量變換到αβ坐標(biāo)中，變換過程是

把式(5）、式(6）分別代入式(9），不對(duì)稱電壓可以分解成αβ坐標(biāo)系中的正序電壓和負(fù)序電壓，變換過程為

4 逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 帶通濾波器Fig.2 Self-adaptive band pass filter

四橋臂逆變器在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型如式(1）～式(3）所示(建模型時(shí)僅考慮電壓和電流對(duì)稱的情況），可見d軸和q軸之間存在耦合項(xiàng)，不便于設(shè)計(jì)控制器，采用控制算法式(12）控制逆變器的電感電流，控制算法式(13）控制負(fù)載電壓［7，10］，負(fù)序和零序的控制算法與此算法相同。

4.1 電流環(huán)的設(shè)計(jì)

電流環(huán)采用控制算法式(13）后，逆變器的各序電流分量控制環(huán)都是SISO系統(tǒng)，本文以正序電流d軸分量的控制為例闡述電流環(huán)的設(shè)計(jì)，正序d軸電流環(huán)簡(jiǎn)化框圖如3圖所示。

圖3中，1/(Tis+1）為電流采樣延遲等效傳遞函數(shù);Kpwm/(0.5Tss+1）為功率主電路等效傳遞函數(shù)，Kpwm為功率主電路增益，Ts為功率器件開通平均延遲時(shí)間。

為了保證電流環(huán)的快速跟蹤性，可將電流環(huán)設(shè)計(jì)為典型的I型系統(tǒng)。只需以PI調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)抵消控制對(duì)象的極點(diǎn)即可，所以電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的試探初值按式(14）設(shè)定，然后根據(jù)電流環(huán)特性調(diào)整初探值，使校正后電流環(huán)的截止頻率在1000～2000Hz范圍內(nèi)，調(diào)整時(shí)間ts＜2ms，最大超調(diào)量σ＜10%，上升時(shí)間 tr＜ 0.3ms。

4.2 電壓環(huán)的設(shè)計(jì)

電壓環(huán)的控制框圖如圖4所示，圖中1/(Tus+1）和1/(3Tss+1）分別是采樣延遲傳遞函數(shù)和電流閉環(huán)等效傳遞函數(shù)。

圖4 電流環(huán)控制框圖Fig.4 Block diagram of voltage control loop

電壓開環(huán)傳遞函數(shù)為

電壓開環(huán)傳遞函數(shù)中有兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，可以合并為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)［6］，合并后電壓環(huán)仍然是Ⅱ型系統(tǒng)。整定外環(huán)時(shí)，不僅要考慮電壓環(huán)的跟隨性能，還應(yīng)考慮電壓環(huán)的抗擾性能。為此，對(duì)電壓環(huán)按典型的Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用工程設(shè)計(jì)方法，電壓調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定如下:

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)的參數(shù)都為:額定功率為20kW，輸出額定電壓的有效值為220V，直流側(cè)電壓 Udc=680V，濾波電感 L=5mH，Lf=2.5mH，r=0.2Ω，濾波電容 C=6μF，開關(guān)頻率為 10kHz。

下文給出了單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)控制策略的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及本文所提控制策略的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)比分析了逆變器在兩種控制策略下的特性。

圖5(a）是單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓d軸分量的給定值和反饋值的波形(q軸上的波形類似），電壓d軸含有2次諧波分量，表明單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的比例積分雙環(huán)控制系統(tǒng)是有靜態(tài)誤差的。圖5(b）是本文提出控制策略的給定電壓波形和反饋電壓波形，穩(wěn)態(tài)后反饋電壓可以很好地跟蹤給定電壓，并且反饋電壓也不含有二次諧波，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性表明了本文提出的控制策略要明顯優(yōu)于單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙環(huán)控制策略。

圖5 負(fù)載電壓d軸給定電壓與反饋電壓Fig.5 Command load’s voltage and load’s feedback voltage

帶不對(duì)稱負(fù)載時(shí)逆變器的輸出電壓波形如圖6所示，圖中的電壓波形是對(duì)稱的。實(shí)驗(yàn)研究再次表明本文提出的分序方法和控制策略比單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙環(huán)控制策略優(yōu)越得多。

圖6 三相負(fù)載電壓Fig.6 Three-phase load’s voltage

6 結(jié)論

為提高分布式發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，本文采用帶通濾波器對(duì)四橋臂逆變器的電感電流和負(fù)載電壓進(jìn)行分序，采用分序控制思想控制四橋臂逆變器，實(shí)現(xiàn)了無靜差控制，克服了單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中反饋電流和反饋電壓含有二次諧波的缺點(diǎn)，改善了分布式發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的分序方法和控制思想正確可行。

References）:

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Research on control strategy for four-leg inverter in distribution generation system

CHEN Hong-bing1，2，ZHANG Xing1，YANG Shu-ying1
(1.School of Electric and Automation Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China;2.School of Physics and Electronic Engineering，Hubei University of Arts and Science，Xiangyang 441053，China）

A grid formed with distribution generators is a weak grid，and supplies power energy to all sorts of loads.According to characteristics of distribution generation grid and status of loads，a four-leg inverter has been used as an interface device for forming distribution generation system.A decomposing sequence method with band pass filter has been proposed，and a decomposing sequence control algorithm has been applied to control the four-leg inverter.The parameters of a current controller and a voltage controller have been tuned.Static-state performance of a fourleg inverter controlled by a double loop control method in synchronous rotor frame is poor，and this problem has been solved.Associated control scheme for the distributed generation system based on a four-leg inverter has been designed and constructed so as to confirm the feasibility of the proposed method.Control system static-state performance of a four-leg inverter has been thoroughly improved，and the operation ability of the distributed generation system under the unbalanced loads has been greatly enhanced.

four-leg inverter;distribution generation system;band pass filter

TM461

A

1003-3076(2012）04-0010-05

2011-12-25

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(B20122506）;安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(090412049）

陳紅兵 (1975-），男，湖北籍，博士研究生，主要研究方向:電力電子與電力傳動(dòng);

張 興 (1963-），男，安徽籍，教授，博士，主要研究方向:新能源發(fā)電技術(shù)。