三相并網(wǎng)逆變器公共耦合點(diǎn)電壓控制研究

傘國(guó)成， 漆漢宏， 魏艷君， 王懷寶

(電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004)

三相并網(wǎng)逆變器公共耦合點(diǎn)電壓控制研究

傘國(guó)成， 漆漢宏， 魏艷君， 王懷寶

(電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004)

現(xiàn)代電力設(shè)備負(fù)荷變化將影響系統(tǒng)公共耦合點(diǎn)電壓質(zhì)量，降低并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。根據(jù)不同的線路阻抗性質(zhì)，并網(wǎng)逆變器可以注入一定有功或無功功率實(shí)現(xiàn)公共耦合電壓恢復(fù)控制。本文首先從功率流角度分析了系統(tǒng)線路阻抗和負(fù)荷變化對(duì)公共耦合點(diǎn)電壓峰值變化的影響，而后利用并網(wǎng)電流在不同線路阻抗上的壓降補(bǔ)償作用提出兩種電流補(bǔ)償閉環(huán)控制方案，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷變化情況下公共耦合點(diǎn)電壓快速恢復(fù)。最后搭建了并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了公共耦合點(diǎn)電壓恢復(fù)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所提方案可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷變化情況下電壓快速恢復(fù)。

并網(wǎng)逆變器; 公共耦合點(diǎn); 電壓控制

1 引言

傳統(tǒng)能源枯竭和環(huán)境惡化已經(jīng)成為世界各國(guó)共同關(guān)注的問題，許多國(guó)家紛紛開展在新能源領(lǐng)域的戰(zhàn)略部署，大力發(fā)展以風(fēng)能和太陽(yáng)能為代表的分布式發(fā)電技術(shù)。然而，隨著大規(guī)模分布式發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)，其與電網(wǎng)間的相互影響日益顯著[1-3]。并網(wǎng)逆變器作為發(fā)電單元和電網(wǎng)的接口設(shè)備，其控制顯得尤為關(guān)鍵[4,5]。實(shí)際應(yīng)用中，連接在公共耦合點(diǎn)(Point of Common Coupling, PCC)上的負(fù)載用電負(fù)荷發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致公共耦合點(diǎn)電壓波動(dòng)，造成敏感負(fù)荷供電隱患，給敏感負(fù)荷系統(tǒng)運(yùn)行安全性和可靠性帶來巨大威脅[6-8]。因此，研究公共耦合點(diǎn)電壓控制具有重要意義。

傳統(tǒng)公共耦合點(diǎn)電壓控制策略主要包括向電網(wǎng)注入有功或無功功率的控制方案。文獻(xiàn)[9-11]提出無功注入控制策略實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障期間電壓恢復(fù)，但未涉及線路阻抗特性和功率注入對(duì)公共耦合點(diǎn)電壓恢復(fù)效果的分析。文獻(xiàn)[12]提出基于壓降補(bǔ)償器的無功注入方式，通過調(diào)節(jié)電壓參考控制公共耦合點(diǎn)電壓恢復(fù)，但該策略未明確負(fù)載變化和線路阻抗對(duì)公共耦合點(diǎn)電壓的影響。為研究線路阻抗性質(zhì)和有功無功功率注入對(duì)公共耦合點(diǎn)電壓的影響，文獻(xiàn)[13]提出一種功率注入策略，能夠?qū)Ⅰ詈宵c(diǎn)電壓恢復(fù)控制在合理范圍，但該策略未考慮負(fù)載變化對(duì)耦合點(diǎn)電壓的影響。為解決負(fù)載變化對(duì)耦合點(diǎn)電壓的影響，本文首先從功率流角度分析系統(tǒng)線路阻抗和負(fù)荷變化對(duì)公共耦合點(diǎn)電壓變化的影響，然后利用并網(wǎng)電流在不同線路阻抗上的壓降補(bǔ)償作用提出兩種電流補(bǔ)償閉環(huán)控制方案，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 公共耦合點(diǎn)電壓控制方法

2.1 負(fù)荷變化對(duì)公共耦合點(diǎn)電壓的影響

圖1為本文研究系統(tǒng)的原理圖。其中，電網(wǎng)等效為容量無窮大的電壓源US串聯(lián)等效阻抗Z=R+ jX，R為電阻分量，X為電感分量；并網(wǎng)逆變器通過公共耦合點(diǎn)接入電網(wǎng)，設(shè)電網(wǎng)流經(jīng)公共耦合點(diǎn)的復(fù)功率表示為S=P+jQ，P為有功功率，Q為無功功率，并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)側(cè)輸出有功和無功功率為PG和QG，PCC處負(fù)載吸收有功和無功功率為PL和QL。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram

設(shè)公共耦合點(diǎn)電壓UPCC=UPCC∠0°，根據(jù)圖1可知，電網(wǎng)側(cè)流過電流可表示為：

(1)

電網(wǎng)電壓與公共耦合點(diǎn)電壓的差值可表示為：

ΔU=US-UPCC=I(R+jX)

(2)

將式(1)代入式(2)：

(3)

式(3)中包含兩個(gè)分量：實(shí)軸分量(PR+QX)/UPCC和虛軸分量(PX-QR)/UPCC，由于虛軸分量作用效果相對(duì)較小，忽略虛軸分量，式(3)可簡(jiǎn)化為：

(4)

通過式(4)可以看出，系統(tǒng)線路阻抗和電網(wǎng)注入功率直接影響公共耦合點(diǎn)電壓變化。具體而言，當(dāng)線路為阻性時(shí)有功功率影響顯著，當(dāng)線路呈感性時(shí)，無功分量影響顯著，當(dāng)線路為阻感性時(shí)，需要合理分配有功無功共同調(diào)節(jié)電壓。

將負(fù)載吸收功率和逆變器輸出功率代入式(4)：

(5)

通過式(5)可以看出，負(fù)載變化會(huì)影響公共耦合點(diǎn)電壓，當(dāng)負(fù)載功率增大時(shí)，ΔU變大，公共耦合點(diǎn)電壓降低；當(dāng)負(fù)荷功率減小，ΔU變小，公共耦合點(diǎn)電壓升高。另一方面，為了進(jìn)一步分析負(fù)載對(duì)公共耦合點(diǎn)電壓的影響，以有功功率為例進(jìn)行分析，對(duì)式(5)求PL偏導(dǎo)數(shù)：

(6)

由式(6)可知，當(dāng)負(fù)載功率滿足PL/QL=R/X時(shí)，存在?UPCC/?P=0，即負(fù)載按照線路阻抗阻感比消耗的有功和無功功率時(shí)，對(duì)公共耦合點(diǎn)電壓影響更為顯著。值得注意的是，當(dāng)線路阻抗為阻性或感性時(shí)，并網(wǎng)逆變器可以進(jìn)行有功或無功電流控制實(shí)現(xiàn)公共耦合點(diǎn)電壓恢復(fù)。

2.2 電流補(bǔ)償方案

2.2.1 有功電流補(bǔ)償方案

在低壓配電系統(tǒng)中，電網(wǎng)線路阻抗通常近似呈阻性。因此有功功率的變化對(duì)系統(tǒng)公共耦合點(diǎn)電壓的影響要比無功功率對(duì)電壓的影響更加明顯。在這種情況下考慮理想情況，可以將電網(wǎng)線路阻抗等效為純阻性，即Z=R+jX，X=0。此時(shí)通過式(5)可以得出公共耦合點(diǎn)電壓為：

(7)

由于電網(wǎng)容量無窮大，US近似為恒定值，由式(7)可知，當(dāng)負(fù)載功率增加或減小，將導(dǎo)致PCC電壓減小或增大。其向量圖如圖2所示，其中PCC初始電壓為UPCC0，負(fù)載變化后的PCC電壓為UPCC1，IG為線路電流。

圖2 阻性線路下負(fù)載變化對(duì)PCC電壓影響Fig.2 Effect of load variation on PCC voltage with resistive impedance

圖3 有功電流補(bǔ)償控制Fig.3 Active current compensation control scheme

圖4為有功電流補(bǔ)償后公共耦合點(diǎn)電壓變化向量圖。當(dāng)負(fù)載變化后公共耦合點(diǎn)電壓為UPCC1，并網(wǎng)逆變器通過注入有功補(bǔ)償電流參與控制，此時(shí)公共耦合點(diǎn)電壓將快速恢復(fù)到UPCC2=UPCC0。

圖4 有功電流補(bǔ)償對(duì)PCC電壓影響Fig.4 Effect of active current compensation on PCC voltage

2.2.2 無功電流補(bǔ)償方案

當(dāng)電網(wǎng)線路阻抗近似呈感性時(shí)，無功功率變化對(duì)系統(tǒng)公共耦合點(diǎn)電壓的影響更為顯著。將電網(wǎng)線路阻抗等效為純感性，即Z=R+jX，R=0，此時(shí)通過式(5)可以得出公共耦合點(diǎn)電壓為：

(8)

當(dāng)負(fù)載無功功率增加或減小時(shí)，公共耦合點(diǎn)電壓也會(huì)隨之變化。其向量圖如圖5所示。

圖5 感性線路下負(fù)載變化對(duì)PCC電壓影響Fig.5 Effect of load variation on PCC voltage with inductive impedance

為了實(shí)現(xiàn)線路阻抗為感性條件下公共耦合點(diǎn)電壓恢復(fù)控制，本文提出的無功電流補(bǔ)償方案如圖6所示。圖7為無功電流補(bǔ)償后公共耦合點(diǎn)電壓變化向量圖。并網(wǎng)逆變器通過無功電流作用來恢復(fù)公共耦合點(diǎn)電壓。

圖6 無功電流補(bǔ)償控制Fig.6 Reactive current compensation control scheme

圖7 無功電流補(bǔ)償對(duì)PCC電壓影響Fig.7 Effect of reactive current compensation on PCC voltage

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證提出方案的有效性，搭建了三相并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)初始參數(shù)如下：直流母線電壓120V，網(wǎng)側(cè)電壓50V，逆變器輸出電流8A，網(wǎng)側(cè)阻抗1Ω/3.2mH。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

圖8為負(fù)載變化時(shí)公共耦合點(diǎn)處的電壓和電流實(shí)驗(yàn)波形。從圖8(a)可知，負(fù)載切除前公共耦合點(diǎn)電壓為50V，逆變器輸出電流8A，與初始實(shí)驗(yàn)條件一致。此時(shí)A相并網(wǎng)電流iagrid為2.5A，負(fù)載電流iaload為5.5A。負(fù)載切除后公共耦合點(diǎn)電壓升高。圖8(b)為負(fù)載切入情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)負(fù)載切入后，由于逆變器輸出電流小于負(fù)載需要的有功電流，此時(shí)需要電網(wǎng)輸送部分電流，導(dǎo)致線路阻抗上產(chǎn)生壓降，造成公共耦合點(diǎn)電壓降低。

圖8 負(fù)載變化時(shí)PCC電壓和電流實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experiment waveforms of PCC voltage and current

圖9為負(fù)載變化情況下有功電流補(bǔ)償控制實(shí)驗(yàn)波形。由圖9(a)可知，負(fù)載切除后，在有功電流補(bǔ)償控制下公共耦合點(diǎn)電壓迅速恢復(fù)。圖9(b)為負(fù)載切入后有功電流補(bǔ)償控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，負(fù)載切入瞬間公共耦合點(diǎn)電壓跌落，有功電流補(bǔ)償控制下并網(wǎng)逆變器輸出電流增加，網(wǎng)側(cè)電流減小，線路引起的壓降減小，從而實(shí)現(xiàn)公共耦合點(diǎn)電壓迅速恢復(fù)。圖10為負(fù)載變化情況下無功電流補(bǔ)償控制實(shí)驗(yàn)波形。由圖10(a)可知，負(fù)載切除后，無功電流補(bǔ)償控制下公共耦合點(diǎn)電壓迅速恢復(fù)。圖10(b)為負(fù)載切入后有功電流補(bǔ)償控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，負(fù)載切入瞬間公共耦合點(diǎn)電壓跌落，在無功電流補(bǔ)償控制下并網(wǎng)逆變器輸出電流增加，實(shí)現(xiàn)公共耦合點(diǎn)電壓迅速恢復(fù)。

圖9 有功電流補(bǔ)償方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experiment results of active current compensation

圖10 無功電流補(bǔ)償方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experiment results of reactive current compensation

4 結(jié)論

針對(duì)負(fù)荷變化影響公共耦合點(diǎn)電壓?jiǎn)栴}，本文提出兩種并網(wǎng)逆變器公共耦合點(diǎn)電壓恢復(fù)控制方法并進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，兩種控制方案均可以實(shí)現(xiàn)公共耦合點(diǎn)電壓快速恢復(fù)。實(shí)際應(yīng)用中還需要考慮并網(wǎng)逆變器容量問題，隨著大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)，多臺(tái)并網(wǎng)逆變器多余的容量可以分擔(dān)補(bǔ)償電流，如何協(xié)調(diào)多臺(tái)并網(wǎng)逆變器公共耦合點(diǎn)電壓控制需要進(jìn)一步深入研究。

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Research on PCC voltage control of three-phase grid-connected inverter

SAN Guo-cheng, QI Han-hong, WEI Yan-jun, WANG Huai-bao

(Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province, College of Electrical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

The load profile variation of the modern electrical equipments has a negative effect on the voltage quality at the point of common coupling, which degrades the reliability of grid-connected sensitive loads. The voltage regulation at the point of common coupling can be achieved by dynamically controlling the real or reactive power injected to the utility by the grid-connected inverter based on the types of line impedances. Firstly, the inherent relationship between voltage and load variation by considering the network impedance impact is discussed. Secondly, two compensated control strategies are evaluated to identify the compensator for the closed-loop controller to recover the voltage with a fast dynamic response speed when the load profile changes. Finally, the prototype of grid-connected inverter is built and the experimental tests are conducted to verify the effectiveness of the proposed method.

grid-connected inverter; point of common coupling; voltage control

2016-07-11

河北省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(13964304D)、 燕山大學(xué)青年教師自主研究計(jì)劃項(xiàng)目 (15LGB011)、 高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20121333110007)

傘國(guó)成(1979-)， 男， 黑龍江籍， 副教授， 碩士， 研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制技術(shù)； 漆漢宏(1968-)， 男， 廣西籍， 教授， 博士， 研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)(通訊作者)。

TM615

A

1003-3076(2016)11-0014-05