準(zhǔn)Z源光伏并網(wǎng)逆變器無功補(bǔ)償自然坐標(biāo)控制

姬麗雯，盧子廣，胡立坤，藍(lán)希清，曾憲金

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004)

準(zhǔn)Z源逆變器在2009年由彭方正教授提出，因?yàn)槠涮厥獾闹蓖üぷ鳡顟B(tài)，可以實(shí)現(xiàn)任意升降壓的同時(shí)穩(wěn)定直流側(cè)電壓輸入［1］。將其應(yīng)用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，解決了光伏輸出的間歇性與不確定性對(duì)逆變系統(tǒng)的影響［2］。

但是，光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換和傳遞仍然是建立在電力電子裝置的基礎(chǔ)上，勢(shì)必將很多不穩(wěn)定因素帶入電力系統(tǒng)，造成電能質(zhì)量高滲透率問題［3］，此外，用電負(fù)荷一般具有隨機(jī)波動(dòng)性，其產(chǎn)生的無功電流亦會(huì)給配電網(wǎng)帶來污染。準(zhǔn)Z源逆變器雖然可以在一定程度上改善并網(wǎng)的電能質(zhì)量，但對(duì)于由上述原因引起的電能污染卻毫無幫助。因而，在并網(wǎng)的同時(shí)增加無功補(bǔ)償功能將會(huì)是未來光伏發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要研究方向。

文獻(xiàn)［4］就兩級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出一種將并網(wǎng)與無功補(bǔ)償相結(jié)合的一體化控制策略，實(shí)現(xiàn)了較好的無功補(bǔ)償效果，但因?yàn)槭褂脗鹘y(tǒng)的逆變電路，沒有直通工作狀態(tài)，控制過程中加入的死區(qū)時(shí)間將影響逆變器輸出的電能質(zhì)量。文獻(xiàn)［5］應(yīng)用矢量控制設(shè)計(jì)了光伏并網(wǎng)及電能質(zhì)量控制系統(tǒng)，但基于dq坐標(biāo)系的矢量控制涉及到三角函數(shù)，計(jì)算量大，編程復(fù)雜。文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)了一種基于Z源逆變技術(shù)的新型靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM），克服了傳統(tǒng)STATCOM 裝置易受直流側(cè)電源電壓影響的不足，但此文獻(xiàn)只是提出新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并沒有就此特殊結(jié)構(gòu)提出相應(yīng)的閉環(huán)控制策略。

針對(duì)上述問題，本文利用準(zhǔn)Z 源逆變器可以克服光伏電池電壓波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響這一特點(diǎn)，將準(zhǔn)Z 源逆變器引入光伏并網(wǎng)與無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)，提出abc 的分相控制策略，從電網(wǎng)側(cè)直接定向，使有功、無功徹底解耦，沒有相位檢測(cè)（鎖相環(huán)）的設(shè)計(jì)，避免參數(shù)不準(zhǔn)確造成的相位檢測(cè)失誤，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性與可靠性。最后利用數(shù)字信號(hào)處理與控制工程（digital signal processing and control engineering，dSPACE）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了基于準(zhǔn)Z 源逆變器的光伏并網(wǎng)與無功補(bǔ)償統(tǒng)一系統(tǒng)，驗(yàn)證了控制方法的可行性。

1 PG-STATCOM工作原理分析

對(duì)于基于準(zhǔn)Z 源逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其主電路包括光伏電池、準(zhǔn)Z 源阻抗網(wǎng)絡(luò)和三相橋式全控型逆變器，該結(jié)構(gòu)與常規(guī)的有源靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）主電路具有相似性，因此，本文考慮將兩者各自控制特點(diǎn)相結(jié)合，構(gòu)成同時(shí)具有光伏并網(wǎng)發(fā)電與無功補(bǔ)償功能的基于準(zhǔn)Z源逆變器的PG-STATCOM 系統(tǒng)，這樣的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以有效地節(jié)省設(shè)備投資，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高設(shè)備利用率。

圖1 為基于準(zhǔn)Z 源逆變器的PG-STATCOM系統(tǒng)工作等效圖，is為電網(wǎng)電流，i1為負(fù)載電流，in為PG-STATCOM輸出的電流，uPCC為光伏逆變裝置接入點(diǎn)電壓，即負(fù)載供電電壓。在負(fù)載未接入配電網(wǎng)時(shí)，光伏電池發(fā)出的有功電流全部流入電網(wǎng)中，即電網(wǎng)電流is=in。當(dāng)負(fù)載接入配電網(wǎng)中，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的負(fù)載電流il，其由有功分量ild和無功分量ilq組成，即

圖1 PG-STATCOM系統(tǒng)工作等效圖Fig.1 Work equivalent circuit diagram of PG-STATCOM system

當(dāng)負(fù)載的無功分量ilq很大時(shí)，電網(wǎng)輸出功率因數(shù)降低并產(chǎn)生電壓跌落，增加線路的能量損耗，影響電能質(zhì)量［7］。為解決這個(gè)問題，需要PG-STATCOM 在產(chǎn)生有功電流ind的同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的無功電流inq。此時(shí)，有

由式（1）可知，當(dāng)inq=ilq時(shí)，得到理想的控制效果，即

負(fù)載的無功電流完全由PG-STATCOM 提供，光伏電源產(chǎn)生的有功電流用于負(fù)載有功消耗以及并網(wǎng)傳輸，確保系統(tǒng)運(yùn)行于單位功率因數(shù)。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文引入了自然坐標(biāo)控制，其思想是將電力系統(tǒng)主要特征變換為有功和無功信息，實(shí)現(xiàn)有功電流和無功電流的獨(dú)立控制，進(jìn)而獲得三相電流參考值，達(dá)到電流控制型逆變器的目的。

圖2 自然坐標(biāo)控制框圖Fig.2 The block diagram of nature coordinate control

PG-STATCOM 系統(tǒng)的自然坐標(biāo)控制策略如圖2所示。其中直流側(cè)電壓外環(huán)在直流側(cè)電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)有功功率并網(wǎng)控制，通過PI控制器得到內(nèi)環(huán)有功電流環(huán)指令。選擇電容C1的電壓作為直流側(cè)電壓參考值的原因是：準(zhǔn)Z 源逆變器的阻抗網(wǎng)絡(luò)使直流側(cè)電壓uPN存在脈動(dòng)，相比而言，電容C1的電壓更容易測(cè)量，所以選擇電容C1電壓作為被控量，進(jìn)而間接控制直流側(cè)電壓［8］。公共耦合點(diǎn)電壓外環(huán)通過維持負(fù)載端電壓穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的無功補(bǔ)償，得到內(nèi)環(huán)無功電流環(huán)指令。其中內(nèi)環(huán)有功電流與無功電流通過自然坐標(biāo)變換得到三相電流參考值，參考電流與逆變器實(shí)際三相電流之間的誤差經(jīng)比例積分（PI）控制器產(chǎn)生載波信號(hào)ua，ub，uc，經(jīng)過SPWM調(diào)制，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)。

在光伏側(cè)，經(jīng)過運(yùn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法得到最大功率點(diǎn)電壓，通過PI 控制器得到調(diào)制信號(hào)uT，用來進(jìn)行SPWM 調(diào)制，產(chǎn)生直通占空比信號(hào)實(shí)現(xiàn)光伏電池輸出電壓跟蹤。

2.1 自然坐標(biāo)2/3變換

傳統(tǒng)矢量控制中，參考有功電流和無功電流需要經(jīng)過Park反變換和Clark反變換得到三相參考電流，其中鎖相環(huán)檢測(cè)的相位信息用于Park反變換中三角函數(shù)的計(jì)算。此變換過程涉及鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)，大量的三角函數(shù)計(jì)算，編程復(fù)雜，對(duì)控制器提出更高的要求。相比較而言，自然坐標(biāo)2/3 變換過程不需要設(shè)計(jì)鎖相環(huán)，避免三角函數(shù)運(yùn)算，提高了系統(tǒng)的可靠性。下面詳細(xì)闡述自然坐標(biāo)2/3變換過程。

由于靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）響應(yīng)速度很快，傳統(tǒng)的基于周期信號(hào)幅值的概念已不能滿足其對(duì)響應(yīng)速度的要求，必須采用瞬時(shí)公共耦合點(diǎn)PCC電壓值作為參考值，即

定義與PCC電壓同相的有功單位分量為

式中：取ε=10-6，避免除零運(yùn)算。

三相有功和無功分量坐標(biāo)如圖3 所示，其中va，vb，vc為三相有功單位分量，對(duì)稱分布。由vb，vc兩相可構(gòu)造出與有功單位分量va相垂直的無功單位分量wa，同理可以得出其它兩相無功單位分量。

圖3 三相有功和無功分量坐標(biāo)Fig.3 Three-phase active component and reactive component

三相無功單位分量為

獲得的PCC 的有功、無功分量分別與有功、無功參考電流相乘，對(duì)應(yīng)矢量相加，即可得到三相電流指令值，其變換過程如圖4所示。

圖4 自然坐標(biāo)2/3變換Fig.4 Two-third transformation under nature coordinate

因此，可以得到內(nèi)環(huán)三相參考電流為

2.2 電流跟蹤實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖5中，輸出濾波電感為L(zhǎng)f，PG-STATCOM 系統(tǒng)等效內(nèi)阻為R，因?yàn)榕潆娋W(wǎng)線路的等效電阻、電感較小，可以暫時(shí)忽略。三相對(duì)稱的電網(wǎng)電壓為

圖5 系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)Fig.5 Equivalent circuit diagram of the system

式中：Us為電網(wǎng)電壓幅值；ω為電網(wǎng)電壓角頻率。

O 為虛擬中點(diǎn)，由基爾霍夫定律可知三相橋交流側(cè)電壓方程為

式中：uPNa，uPNb，uPNc為逆變器三相輸出電壓。

將式（2）進(jìn)行拉氏變換，得到

式中：ia(0)，ib(0)，ic(0)為濾波電感中的初始電流。一般電路的初始狀態(tài)為零狀態(tài)，初始電流等于零，所以式（3）可以表示成

從式（4）可以看出，逆變器輸出電流僅由逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的幅值及相位差決定。這也說明調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的幅值和相位，即可實(shí)現(xiàn)電流跟蹤。由2.1 節(jié)計(jì)算出參考電流以后，經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)，SPWM調(diào)制，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器輸出電壓的幅值和相位的控制，完成電流跟蹤。

3 仿真研究

本文以Matlab/Simulink 為仿真平臺(tái)，對(duì)PG-STATCOM 系統(tǒng)的自然坐標(biāo)控制進(jìn)行仿真研究。仿真模擬在電壓380 V、頻率50 Hz的電網(wǎng)上搭建基于準(zhǔn)Z 源逆變器的三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，具體參數(shù)為：電容C1=1 000 μF，C2=1 000 μF，電感L1=50 mH，L2=50 mH，濾波電感Lf=3 mH，配電網(wǎng)電感Ls＝0.5 mH，配電網(wǎng)電阻Rs＝0.01 Ω，電流環(huán)控制器KP-i＝100，電流環(huán)控制器KI-i＝0.1，直流側(cè)電壓環(huán)控制器KP-dc＝10，直流側(cè)電壓環(huán)控制器KI-dc＝30，PCC 電壓控制器KP-PV＝1，PCC 電壓控制器KI-PV＝500，光伏側(cè)電壓環(huán)控制器KP-PV＝0.002 5，光伏側(cè)電壓環(huán)控制器KI-PV＝0.1。

仿真通過無功負(fù)載的投切實(shí)現(xiàn)公共耦合點(diǎn)電壓波動(dòng)。考慮到現(xiàn)實(shí)生活中感性負(fù)載較多，因此選擇負(fù)載為三相對(duì)稱的阻抗性負(fù)載，電感值為10 mH，電阻值為5 Ω。其中0.5 s 時(shí)突加負(fù)載，0.7 s突減負(fù)載。

圖6a 為光伏功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出參考無功值與負(fù)載消耗無功值的負(fù)值，可以看出兩者大小相等，即系統(tǒng)無功電流完全由PG-STATCOM 提供，與理論分析一致。圖6b 為公共耦合點(diǎn)電壓幅值波形，投切瞬間雖然引起波動(dòng)，但通過自然坐標(biāo)控制，電壓幅值迅速恢復(fù)穩(wěn)定。

圖6 突加和突減負(fù)載波形Fig.6 Waves when suddenly add and subtract load

圖7 為突加負(fù)載時(shí)A相PCC點(diǎn)的電壓和電流值，補(bǔ)償后兩者迅速同頻同相，運(yùn)行于單位功率因數(shù)。因?yàn)镻G-STATCOM 系統(tǒng)中，光伏電池產(chǎn)生的功率中有一部分轉(zhuǎn)化為無功功率被負(fù)載消耗，所以并網(wǎng)電流相應(yīng)減小。

圖7 突加負(fù)載時(shí)A相PCC電壓和電流Fig.7 PCC′s voltage and current of phase A when suddenly add load

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)PG-STATCOM 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)來驗(yàn)證所提控制策略?？刂破鞑捎胐SPACE 平臺(tái)的DS1104 控 制 板 卡。dSPACE 是Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了和Matlab/Simulink/RTW 的完全無縫連接；DS1104 配有TMS320F2407 型數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processing，DSP），可以直接輸出三相PWM控制脈沖。

實(shí)驗(yàn)中三相互補(bǔ)的PWM 脈沖由實(shí)時(shí)接口（real-time interface，RTI）模塊DS1104_DSP_PWM3產(chǎn)生，直通信號(hào)通過HD74HC32P“或”門與三相互補(bǔ)PWM脈沖耦合，生成最終的6路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，器件開關(guān)會(huì)對(duì)輸出造成抖動(dòng)，因此，CPU 采用中斷處理方式，使數(shù)據(jù)采集時(shí)間錯(cuò)開PWM 脈沖觸發(fā)點(diǎn)。另外，為保證實(shí)驗(yàn)裝置安全，通過隔離變壓器將交流側(cè)電壓縮小10倍。系統(tǒng)的整體實(shí)驗(yàn)裝置框圖如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)框圖Fig.8 The experimental block diagram

系統(tǒng)需要在直流側(cè)電壓穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行功率傳輸，圖9a為直流側(cè)電容電壓uC1波形，在突加和突減負(fù)載的瞬間電壓引起波動(dòng)，但在0.5 s內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定。圖9b顯示補(bǔ)償后A相PCC電壓與PG-STATCOM輸出電流波形，因?yàn)樨?fù)載為感性器件，所以PG-STATCOM 輸出電流相位超前PCC 電壓，補(bǔ)償器輸出容性電流來補(bǔ)償無功，提高系統(tǒng)電能質(zhì)量。兩者相位小于90°，這是因?yàn)镻G-STATCOM除了提供負(fù)載所需的無功電流，還向電網(wǎng)提供并網(wǎng)有功電流。

圖9 實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Waves of the experiment

在其他條件盡量保持一致的情況下，利用dSPACE實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的turnaround time功能，實(shí)時(shí)測(cè)試dq 坐標(biāo)矢量控制與abc 自然坐標(biāo)控制下電流2/3 變換所用時(shí)間，如表1 所示，并將其轉(zhuǎn)換為DSP 中的C 代碼，檢測(cè)所用的時(shí)鐘周期，abc 自然坐標(biāo)控制節(jié)省了446 個(gè)時(shí)鐘周期，明顯提高了運(yùn)算速度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的反應(yīng)能力，改善調(diào)節(jié)效果。

表1 兩種控制策略運(yùn)算時(shí)間Tab.1 The time of operation used two control methods

5 結(jié)論

1）本文在不改變準(zhǔn)Z源光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電與無功補(bǔ)償功能，充分利用了硬件平臺(tái)，降低系統(tǒng)成本。

2）自然坐標(biāo)控制策略應(yīng)用于PG-STATCOM系統(tǒng)，相比dq 坐標(biāo)矢量控制大大縮短計(jì)算時(shí)間，且無鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的可靠性。

3）PG-STATCOM 系統(tǒng)可以有效穩(wěn)定公共點(diǎn)PCC電壓，具有很好的市場(chǎng)和工程應(yīng)用前景。

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