微電網(wǎng)并網(wǎng)控制策略研究

江偉　李春陽(yáng)　羅易　沈道軍　周承軍

摘 要：大電網(wǎng)與分布式電源相結(jié)合的形式又被電力專家公認(rèn)為能夠節(jié)省能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性，是電力工業(yè)的發(fā)展方向。對(duì)此，研究分布式電源具有重要的價(jià)值。本文針對(duì)PI 控制存在基波頻率處增益小、控制效果差等不足，引入帶通式準(zhǔn) PR 控制器，并改進(jìn)控制算法以改善控制效果，最后通過MATLAB仿真軟件對(duì)改進(jìn)算法進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證了算法的可行性與準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；分布式電源；PR控制器

中圖分類號(hào)：TM61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.并網(wǎng)控制分析

1.1并網(wǎng)控制目的和方式

通常認(rèn)為在微電網(wǎng)并網(wǎng)過程中，為提高并網(wǎng)的質(zhì)量，需要將逆變器輸出的電流變?yōu)楦哔|(zhì)量的正弦波，并讓該波的波形頻率和相位與網(wǎng)壓一致。而根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，要求并網(wǎng)后電流產(chǎn)生的總諧波畸變率不能超過標(biāo)準(zhǔn)的5%。因此，對(duì)并網(wǎng)電流諧波進(jìn)行控制是非常復(fù)雜的問題。而要解決這個(gè)問題，人們提出采逆變器對(duì)并網(wǎng)的電流或電壓的諧波進(jìn)行調(diào)整和控制。當(dāng)前，主流的逆變器可以分為電壓型和電流型兩種。具體的結(jié)果則如圖1所示。

1.2并網(wǎng)控制目標(biāo)

對(duì)分布式電源的并網(wǎng)控制來(lái)講，其目標(biāo)就是要讓逆變電路控制后的輸出與網(wǎng)壓頻率相同的正弦波。該控制過程可以等效為如圖2所示的電路圖。

在圖2中，U0表示逆變的輸出電壓；I0表示電感電流；Unet表示電網(wǎng)電壓；L主要起到濾波的作用。對(duì)逆變輸出控制來(lái)講，其就是要讓輸出電流與網(wǎng)壓同頻同相。而要達(dá)到上述的一致目標(biāo)，就必須要保證逆變器交流側(cè)輸出超前電網(wǎng)電壓 90度，這恰好可以保證 IL 與 Unet 同頻同相。

2.逆變控制器建模

微電網(wǎng)的并網(wǎng)中，并網(wǎng)逆變器是核心。逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較多，合理選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可合理改善并網(wǎng)系統(tǒng)的性能。目前，常見的逆變器結(jié)構(gòu)包括半橋、全橋和帶中心抽頭變壓器3種。其中，全橋是應(yīng)用比較廣泛的一種。為簡(jiǎn)化研究，本文則選擇單相全橋逆變器，兵役電壓源輸入、電流源輸出的控制模式，具體的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖中，T1-T4為反并聯(lián)二極管的開關(guān)管，通過PWM控制方式，可使得T1、T4和T2、T3對(duì)電路進(jìn)行交替導(dǎo)通，進(jìn)而輸出正弦波電流igrid，Udc 表示直流輸出端的電壓大，RL表示串聯(lián)電路和電感 L的電阻和。

3.并網(wǎng)控制策略設(shè)計(jì)

3.1整體并網(wǎng)控制策略設(shè)計(jì)

對(duì)發(fā)電系統(tǒng)來(lái)講，其能量的高低主要取決于并網(wǎng)逆變器技術(shù)的好壞。而在對(duì)逆變進(jìn)行控制的過程中，主要包含電壓電流雙閉環(huán)控制、滯環(huán)電流控制、重復(fù)控制、無(wú)差拍控制，重復(fù)+PI 控制以及模糊控制等控制策略。本文結(jié)合上述的研究，則以側(cè)電流作為控制輸出目標(biāo)，采用電壓外環(huán)PI 控制和電流內(nèi)環(huán)準(zhǔn) PR 控制結(jié)合的控制策略，從而得到如圖4所示的并網(wǎng)控制策略。

通過圖4看出，在該并網(wǎng)控制策略中，主要采取的思路是將參考電壓Uref和實(shí)際的電壓Udc的和放在PI控制器之中，進(jìn)而得到參考電流信號(hào)iref；然后，將參考得到的iref經(jīng)由數(shù)字鎖相電壓?jiǎn)卧鶛z測(cè)到的網(wǎng)壓電流信號(hào)同步，由此就可以得到實(shí)際與整體網(wǎng)壓的相角差，也就是所謂的正弦離散表值；再次將得到的該離散只與參考iref進(jìn)行乘積，就可以得到在下一周期時(shí)候的電流值，該值是一個(gè)預(yù)測(cè)值，通常用iref*表示；最后將iref*與經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得到的iout輸入到準(zhǔn)PR控制器，那么就可以得到PWM占空比，進(jìn)而通過驅(qū)動(dòng)電路對(duì)開關(guān)管的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)同頻同相的正弦波電流輸出。

3.2準(zhǔn)PR算法改進(jìn)

PI調(diào)節(jié)的原理可以看成是在坐標(biāo)軸的左半平面內(nèi)的極點(diǎn)，從而提高整體的阻尼零點(diǎn)，并減小誤差，進(jìn)而提高穩(wěn)定性。因此，其基波波頻率的增益可以定義為：

在公式（4）中可以看出，增大 Kp則可提高控制的精度，并加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是，在此處不是一味地增大 Kp，如過大，則可能造成震蕩。同時(shí)，通過積分調(diào)節(jié)減小 Ki 的值，雖然可減小穩(wěn)態(tài)誤差，但會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

由此，根據(jù)上述的分析看出，傳統(tǒng)的PI控制器存在著典型的缺陷。而要解決上述的問題，本文則引入比例諧振控制器，該控制器的原理則是讓開環(huán)傳遞函數(shù)以sin或cos的形式對(duì)正弦信號(hào)的S域進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而得到其傳遞函數(shù)為：

4.仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的上述控制策略的正確性，提出采用傳統(tǒng)的 MATLAB對(duì)逆變控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。而在本研究中，設(shè)定系統(tǒng)頻率為50Hz，PI 控制器參數(shù)為KP=0.05，K1=0.2；準(zhǔn) PR 控制器參數(shù)為KP=0.05，KR=0.25；同時(shí)設(shè)定濾波電感的相關(guān)參數(shù)為：L=5mH，R=0.3Ω；整個(gè)電網(wǎng)的電壓取值為220V，開關(guān)的頻率大小設(shè)定為10kHz。由此，通過上述的仿真，可以得到如圖6所示的電壓電流波形。

從圖6能夠看出，無(wú)論是電流波形，還是電壓波形，其體現(xiàn)出來(lái)的波形都比較平順和光滑，由此可以說(shuō)明本文提出的準(zhǔn)PR控制策略具有很大的優(yōu)勢(shì)，具有抗網(wǎng)壓干擾，并且減弱穩(wěn)態(tài)誤差的作用，進(jìn)而使得輸出電流與電網(wǎng)電壓相位一致。而通過該結(jié)果，也在一定程度上提高了并網(wǎng)的效率。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)并網(wǎng)逆變輸出來(lái)講，其主要的目的就是要讓逆變輸出的電流與并網(wǎng)中的電流同頻和同相，這樣才能更好地達(dá)到并網(wǎng)的效果。對(duì)此，為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，本文則引入一種準(zhǔn)PR控制方法，并通過仿真驗(yàn)證了上述方法的可行性和準(zhǔn)確性，對(duì)現(xiàn)代光伏能源具有一定的參考和借鑒作用。

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