基于梯度補(bǔ)償?shù)姆植际诫娫茨娌⒕W(wǎng)逆變器穩(wěn)定控制

周利駿，李沁愉，趙立骎，夏毅仁

（1.上海合澤電力工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海200433；2.國網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司，上海 200233）

基于梯度補(bǔ)償?shù)姆植际诫娫茨娌⒕W(wǎng)逆變器穩(wěn)定控制

周利駿1，李沁愉2，趙立骎1，夏毅仁1

（1.上海合澤電力工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海200433；2.國網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司，上海 200233）

近年來，由于以分布式光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)電的快速發(fā)展，我國棄風(fēng)、棄光問題也日益突出，導(dǎo)致這一問題的出現(xiàn)主要原因在于新能源發(fā)電技術(shù)不夠成熟、電能質(zhì)量較差、無法就地消納以及可控性、動態(tài)穩(wěn)定性較差。針對分布式光伏發(fā)電進(jìn)行了深入研究，通過構(gòu)建光伏發(fā)電支路的逆變電路模型和引入并網(wǎng)點(diǎn)的電能質(zhì)量變化梯度補(bǔ)償?shù)姆绞?，來改進(jìn)分布式電源并網(wǎng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。以IEEE16節(jié)點(diǎn)算例作為主模型分析了主模型和逆變電路模型的特征根和頻域bode圖，對比了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和改進(jìn)后的模型特征根、頻域bode圖和階躍響應(yīng)曲線。結(jié)果表明：該方法提升了分布式電源穩(wěn)定控制性能，改善了控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。

分布式電源；梯度補(bǔ)償；動態(tài)特性；穩(wěn)態(tài)特性；逆變電路模型

近年來，隨著世界能源問題和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，以光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源發(fā)電技術(shù)引起了越來越廣泛的關(guān)注和研究[1-2]?，F(xiàn)階段由于分布式發(fā)電技術(shù)相對不夠成熟，以光伏逆變器為主要組成部件的分布式光伏發(fā)電電能質(zhì)量因其自身低慣性、低阻尼的特點(diǎn)，導(dǎo)致起動態(tài)響應(yīng)較快，針對小擾動問題解決能力較差，電能質(zhì)量相對較低[2]。

針對光伏逆變器自身控制主要有主從控制、下垂控制、V/F控制、P/Q控制等多種控制方法，但是不同控制方法都有不同的顯著缺陷[3-5]。PQ/VF控制方法主要應(yīng)用于同時具備分布式電源并網(wǎng)的模式和分布式電源自發(fā)自用的模式下。這種控制方法在不同工作模式穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，具有控制器穩(wěn)態(tài)誤差較小，振蕩波動較平緩的特點(diǎn)。但在2種模式的切換過程，尤其是非計(jì)劃型離網(wǎng)切換中由于需要進(jìn)行控制器的切換，將導(dǎo)致逆變器調(diào)整控制時間較長，易出現(xiàn)電壓驟降、驟升和大波動振蕩等問題[6-8]。近年來，針對微電網(wǎng)及分布式電源逆變器穩(wěn)定控制的研究較多，如文獻(xiàn)[9-12]通過構(gòu)建微電網(wǎng)及分布式電源支路的數(shù)學(xué)模型，并采用根軌跡的方法來分析了微電網(wǎng)及分布式電源的慣性和阻尼系數(shù)，具有一定的參考價(jià)值。大多數(shù)文章僅通過這些方法來提供分布式電源并網(wǎng)對電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響分析及建議。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于多模型預(yù)測控制的方法來解決分布式電源逆變器的穩(wěn)定控制問題，但此方法由于具有多個控制模塊切換，并未作多模型控制器的平滑切換處理，勢必將因?yàn)榭刂破鳠o法進(jìn)行無擾切換及靈活調(diào)整功率輸出而導(dǎo)致分布式電源并網(wǎng)處的母線電壓波動震蕩，從而導(dǎo)致其輸出電能質(zhì)量下降。

本文主要采用在功率下垂控制的基礎(chǔ)上增加母線電壓梯度補(bǔ)償?shù)姆椒?，首先，通過研究分布式電源并網(wǎng)模型以及分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)的根軌跡特征根來分析系統(tǒng)的阻尼特征根；其次，通過配置合理的并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量檢測值的梯度變化補(bǔ)償系數(shù)和控制器參數(shù)來增加分布式電源在并網(wǎng)點(diǎn)的阻尼系數(shù)和慣性系數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)的特征根，從而達(dá)到系統(tǒng)應(yīng)的穩(wěn)定控制的效果。

1 逆變器模型

逆變器分為三相逆變器和單相逆變器，逆變器底層硬件電路又可劃分為單極式和兩級式。傳統(tǒng)的三相兩級式逆變器硬件電路如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)三相兩級式逆變器硬件電路Fig.1 Hardware circuit of the traditional three-phase two stage inverter

依據(jù)Kirchhoff′s回路方程，可對上圖1中電路進(jìn)行模型構(gòu)建。三相兩級式逆變電路數(shù)學(xué)模型，直流側(cè)電路方程為：

交流側(cè)電路方程如下：

式中：upv為逆變器入口處輸入電壓；ipv為逆變器注入電流；udc為電容C2兩端直流側(cè)電壓；Sk為直流側(cè)斬波整流開關(guān)電路的開關(guān)控制量，經(jīng)過對Sk進(jìn)行傅里葉變換分析后，忽略高次諧波影響，可以得到Sk等于晶閘管的占空比；交流側(cè)中Ke表示并網(wǎng)點(diǎn)電網(wǎng)側(cè)母線電壓，同直流側(cè)Sk一樣，交流側(cè)S表示交流側(cè)晶閘管占空比。

iES表示如下：

對式（3）至式（6）進(jìn)行abc-dq0轉(zhuǎn)換可得：

式中：Ad、Aq為Sa、Sb、Sc經(jīng)過abc-dq0變換后得到的dq分量。通過式（1）、式（2）和式（8）—式（10）可以設(shè)逆變器電路的狀態(tài)空間變量為：

對式（1）、式（2）和式（8）—式（10）進(jìn)行狀態(tài)空間模型構(gòu)建為：

其中輸入控制量為：

輸出響應(yīng)量為：

狀態(tài)空間方程系數(shù)為：

通過對式（12）—式（13）所表述的對象模型進(jìn)行狀態(tài)空間和傳遞函數(shù)的變換，可以得到系統(tǒng)對象的傳遞函數(shù)為：

2 控制器設(shè)計(jì)

逆變電路的對象模型可用傳遞函數(shù)G（s）表示，通過分析G（s）可以看出對象的輸出量Vq、Vd存在耦合關(guān)系，需對其進(jìn)行解耦補(bǔ)償控制。傳統(tǒng)功率下垂控制如圖2所示，分為PQ控制環(huán)路、電壓外環(huán)控制環(huán)路和電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)路。采用PI控制，系統(tǒng)經(jīng)過PQ控制器后進(jìn)入電壓外環(huán)控制器中，由于電路中存在耦合情況，d軸與q軸重的電壓和電流需要分別解耦如式（18）中的wcVq和wcVd作為電壓環(huán)解耦補(bǔ)償器，wLIq和wLId作為電流環(huán)解耦補(bǔ)償器。

電流環(huán)控制方程為：

傳統(tǒng)PQ控制器內(nèi)部控制框圖如圖2所示。這種傳統(tǒng)帶有電壓前饋的PI控制器通常用于電流控制的逆變器中，PI控制器控制靈活可靠，對模型辨識準(zhǔn)確度要求不高。但此控制方法具有2個突出的問題：PI控制器跟蹤正弦參考信號時會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差；當(dāng)出現(xiàn)干擾信號為周期信號時，由于積分性能差會出現(xiàn)抗干擾能力較差的問題。針對這些問題，采用電壓梯度變化前饋補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行改進(jìn)。傳統(tǒng)的電流環(huán)外引入電壓梯度變化補(bǔ)償如圖3所示。

由傳統(tǒng)下垂控制中P-F/Q-U的關(guān)系可知，d軸梯度變化的檢測值為并網(wǎng)點(diǎn)母線頻率變化值，而q軸梯度變化的檢測值為并網(wǎng)點(diǎn)Ud變化值，并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量梯度變化率表示為：

將梯度變化率帶入圖3所示系統(tǒng)中可得d軸和q軸電壓偏差表示為：

式中：K為補(bǔ)償系數(shù)。

圖2 傳統(tǒng)PQ控制器內(nèi)部控制框圖Fig.2 Internal control block diagram of the traditional PQ controller

圖3 帶有梯度補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)控制結(jié)構(gòu)Fig.3 Improved control structure with gradient compensation

3 算例仿真

在文獻(xiàn)[14-15]所引用模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相關(guān)仿真研究。采用IEEE16節(jié)點(diǎn)改進(jìn)的微電網(wǎng)模型進(jìn)行仿真，如圖4所示。圖4中，節(jié)點(diǎn)N3、N13、N6、N9、N15接入分布式微電源。

圖4 16節(jié)點(diǎn)參考模型Fig.4 16 nodes reference model

N3接入發(fā)電單元表示為A1，N6接入發(fā)電單元表示為A2，N9為接入發(fā)電單元表示為A3，N13接入發(fā)電單元表示為A4，N15接入發(fā)電單元表示為A5。

算例仿真環(huán)境為Windows10系統(tǒng)，Matlab 2012a PSAT工具箱。利用PSAT工具箱對系統(tǒng)母線進(jìn)行根軌跡分析如圖5所示。

圖5 算例系統(tǒng)的根軌跡圖Fig.5 Root locus of a case system

由圖5可知，系統(tǒng)存在實(shí)軸正半平面特征根，系統(tǒng)不穩(wěn)定，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)小擾動或者大的沖擊干擾時將會出現(xiàn)控制器適配的情況，從而導(dǎo)致系統(tǒng)電能質(zhì)量較差，甚至分布式電源支路退出系統(tǒng)的情況。為了進(jìn)一步探究光伏支路的穩(wěn)定性情況，對光伏支路的逆變電路模型d軸分量模型進(jìn)行零點(diǎn)極點(diǎn)分析如圖6所示，圖7為光伏支路逆變電路模型的bode圖分析。

圖6 光伏支路逆變電路模型的零點(diǎn)、極點(diǎn)分析Fig.6 Analysis of zero and pole of photovoltaic circuit model

圖7 光伏支路逆變電路模型的bode圖分析Fig.7 Bode diagram analysis of photovoltaic circuit model

由圖6可知，系統(tǒng)在實(shí)軸負(fù)半軸上有1個極點(diǎn)，在需軸正負(fù)半軸上有2個極點(diǎn)，其余零點(diǎn)極點(diǎn)均位于原點(diǎn)附近，由圖7可知，系統(tǒng)應(yīng)對干擾沖擊穩(wěn)定能力較弱，系統(tǒng)動態(tài)性能較差。需對模型進(jìn)行零點(diǎn)極點(diǎn)校正設(shè)計(jì)。對圖3所示的逆變器結(jié)構(gòu)中的PI控制器和K進(jìn)行參數(shù)配置。如圖8和圖7所示分別為配置的控制系統(tǒng)校正后的零極點(diǎn)圖和bode圖。

對比圖6—圖9可知，系統(tǒng)在進(jìn)行補(bǔ)償和PI控制器重新校正設(shè)計(jì)后動態(tài)性能明顯改善。如圖10所示為原系統(tǒng)模型解耦后d軸和q軸的階躍響應(yīng)曲線，如圖11所示為進(jìn)行補(bǔ)償和參數(shù)校正配置后系統(tǒng)的d軸和q軸階躍響應(yīng)曲線。

圖8 校正設(shè)計(jì)后的光伏支路逆變電路模型的零點(diǎn)極點(diǎn)圖分析Fig.8 Pole figure analysis of the model of the PV circuit model after correction design

圖9 校正設(shè)計(jì)后的光伏支路逆變電路模型的bode圖分析Fig.9 Bode diagram analysis of the PV circuit model after calibration design

由圖10、圖11可知，原系統(tǒng)解耦后的d軸q軸的階躍響應(yīng)的調(diào)節(jié)時間分別為0.44 s和0.554 s，進(jìn)行梯度補(bǔ)償和參數(shù)校正配置系統(tǒng)解耦后的d軸和q軸的階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時間分別為0.003 97 s和0.019 s。通過圖10和圖11對比可知，經(jīng)過梯度補(bǔ)償和校正配置后的系統(tǒng)階躍響應(yīng)速度得到大幅提升，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能得到改善。

并網(wǎng)點(diǎn)N3處接入分布式光伏電源后的電壓輸出曲線如圖12所示。并網(wǎng)點(diǎn)輸出電流如圖13所示。并網(wǎng)點(diǎn)N3調(diào)整過程中有功功率檢測曲線如圖14所示。

4 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)中引入并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量檢測值梯度變化補(bǔ)償?shù)姆椒?，使用帶有分布式電源的IEEE16節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行了特征根求取和根軌跡分析，說明了IEEE16節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在引入分布式光伏發(fā)電支路后動態(tài)性能較差。為了探究影響系統(tǒng)的主要因素，對光伏支路的逆變電路模型進(jìn)行了特征根分析和頻域Bode圖分析，再次驗(yàn)證了傳統(tǒng)分布式電源的動態(tài)性能較差，通過使用提出的并網(wǎng)檢測值梯度變化補(bǔ)償和根據(jù)逆變電路模型的特征根和頻域Bode圖進(jìn)行控制系統(tǒng)校正配置后，再次進(jìn)行了特征根和頻域仿真分析驗(yàn)證。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，改進(jìn)后的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)時間更快，系統(tǒng)阻尼特性得到改善，系統(tǒng)動態(tài)性能得到明顯提升。通過光伏支路的電壓、電流、及功率仿真輸出曲線可以看出系統(tǒng)的動態(tài)性能得到明顯提升。通過功率調(diào)節(jié)曲線和電壓曲線的分析可以看出系統(tǒng)仍然存在穩(wěn)態(tài)誤差和震蕩的情況，這是由于控制結(jié)構(gòu)中PI控制器自身在進(jìn)行控制過程中具有穩(wěn)態(tài)誤差和震蕩的特性導(dǎo)致的。本文的下一步工作將是進(jìn)行PI控制器研究并嘗試尋找一種新型控制器來取代PI控制器從而消除穩(wěn)態(tài)誤差和震蕩。

圖10 原系統(tǒng)模型解耦后d軸和q軸的階躍響應(yīng)曲線Fig.10 The step response curves of the d and q axes after decoupling of the original system model

圖11 梯度補(bǔ)償和參數(shù)校正配置后系統(tǒng)解耦后d軸和q軸的階躍響應(yīng)曲線Fig.11 The step response curves of the d and q axes after the decoupling of the system after the gradient compensation and the parameter correction

圖12 并網(wǎng)點(diǎn)N3分布式光伏電源輸出電壓曲線Fig.12 Distributed PV power output voltage curve of the grid connection point N3

圖13 并網(wǎng)點(diǎn)N3分布式光伏電源輸出電流曲線Fig.13 Distributed PV power output current curve of the grid connection point N3

圖14 并網(wǎng)點(diǎn)N3分布式光伏電源輸出有功功率調(diào)節(jié)曲線Fig.14 Output active power regulation curve of distributed photovoltaic power supply of the grid connection point N3

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（編輯 董小兵）

Stability Control of Grid-Connected Inverter of Distributed Generation Inverse Grid Based on Gradient Compensation

ZHOU Lijun1，LI Qinyu2，ZHAO Liqin1，XIA Yiren1
（1.Shanghai Heze Power Engineering Design&Consulting Co.，Ltd.，Shanghai 200433，China；2.Shinan Power Supply Company of SMEPC，Shanghai 200233，China）

With rapid development of distributed photovoltaic power generation representative of new energy power generation in recent years，the problem of abandoned wind，abandoned photovoltaic has become increasingly prominent in China.The problem can be attributed to immature new energy power generation technology，poor power quality，difficult local consumption，poor controllability and dynamic stability.This paper presents an in-depth research into distributed photovoltaic power generation.By constructing the inverter circuit model of photovoltaic power generation branch and introducing the power quality variation gradient compensation method，the steady-state performance of the grid connected control system is improved.Furthermore，the paper uses the IEEE16 node as the main model to analyze the characteristic root and frequency domain Bode diagram of the main model and the inverter circuit model.By comparing the characteristic root，frequency domain Bode diagram and step response curve of the traditional structure and the improved model it is proved that this method can improve the control performance of the distributed power supply，and improve the dynamic charac-teristics of the control system.

distributed generation；gradient compensation；dynamic characteristics；steady state characteristics；inverter circuit model

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）項(xiàng)目（2015A A050600）。

Project Supported by the National High Technology Research and Development Program of China（863）（2015AA050600）.

1674-3814（2016）10-0146-07

TM464；TM61

A

2016-06-20。

周利駿（1978—），男，本科，工程師，從事配電網(wǎng)技術(shù)研究及管理工作。