新能源并網控制技術研究

國網舟山供電公司 盧正通 李世強 吳穎君 孫 璐 彭維龍

引言

隨著新能源技術應用越來越廣泛，新能源并網能否被高效利用成為了關注的焦點，因此研究并網控制技術對提高電網波形質量具有實際意義。逆變器是整個并網系統(tǒng)的核心器件，逆變器并網控制技術直接影響系統(tǒng)的供電品質[1]。目前比較流行的控制方法有PI控制、模糊控制等，但因PI控制無法實現無靜差跟蹤，一直以來得不到很好的效果。本文由PI控制的局限性，提出基于重復控制理論的復合控制法，通過對復合控制進行分析和論證，驗證復合控制的有效性。

1.逆變器數學模型

為了便于分析，這里以單相逆變器電路進行工作特性分析。

圖1 單相電壓型逆變電路

圖1是單相逆變電路結構，逆變輸出電壓為Ui，Ui經過負載濾波LC電路產生輸出電壓U0，U0同時也是負載R0的端電壓，Rc是輸出電容的寄生電阻，R0為阻性負載。

根據KVL和KCL定律，求得逆變器輸出傳遞函數：

由圖1可知，逆變器自身屬于非線性電路，逆變器含有較大的輸出阻抗，輸出阻抗的存在會使并網電壓產生畸變，非線性電路也使逆變系統(tǒng)并網電流產生諧波，使輸出電流產生一系列尖峰脈沖[3]。

2.逆變器PI控制系統(tǒng)性能分析

電壓型逆變器結構是為了理想的并網電流，其中PI控制是逆變器控制策略最常用的，以下是三相逆變器并網在雙閉環(huán)PI控制下的系統(tǒng)性能分析[2]，三相電壓在dq坐標系下的關系式為：

為了實現并網單位功率因數，一般令iq*=0，這樣在逆變控制電路中就轉化為只要控制好id*就行,這里把電網電壓在d軸等效電壓ed看成恒值干擾。

電流比例積分調節(jié)雖然可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，積分環(huán)節(jié)能提高低頻(50Hz頻段)的增益，但逆變系統(tǒng)出現負載突變時，這一積分環(huán)節(jié)的補償效果并不明顯，因此PI調節(jié)不能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

3.基于重復控制理論的復合控制器設計

重復控制采用的是內膜原理[3]，內模的作用是將系統(tǒng)外部信號的動力學模型植入控制器，這一反饋控制系統(tǒng)具有良好的跟蹤能力和有效消除擾動的能力，同時實現控制過程零誤差跟蹤。而根據擾動的周期性規(guī)律[7]，重復控制在逆變系統(tǒng)的應用源于并網輸出諧波信號也是隨著電網單周期成倍數周期出現，即諧波信號在每個基波周期內均相同。經離散后的內模為：

T為系統(tǒng)采樣周期，T0為電網電壓基波周期，f0=50Hz，N為基波周期采樣數。以下是重復控制系統(tǒng)結構圖2。由于重復控制有單周期延時的特性，一般采用重復控制的改進結構，將重復控制與PI控制結合構成復合控制，以下是復合控制系統(tǒng)結構圖2。

重復控制系統(tǒng)結構，r(z)是輸入給定電壓信號，y(z)實際輸出電壓信號，e(z)是輸入輸出誤差信號，z-N是內模環(huán)節(jié)后的周期延遲環(huán)節(jié)，C(z)為重復控制環(huán)路補償器，P(z)為逆變器傳遞函數，d(z)為周期干擾信號。內模的作用是將周期誤差信號進行累加積分，當下一周期信號到來時依然保留上一誤差信號，誤差信號很小或為0的情況下輸出依然很好的跟隨輸入參考信號。

如圖2所示，圖中在重復控制的基礎上把PI控制并聯(lián)在重復控制的外環(huán)。因為PI控制與重復控制在控制時間上是獨立工作的，所以重復控制與PI控制的結合使系統(tǒng)實現無靜差跟蹤，對干擾信號很好的抑制，系統(tǒng)又有很好的動態(tài)響應[4]。

圖2 單相逆變器復合控制系統(tǒng)結構圖

4.重復控制結構參數設計

為了更好的體現重復控制的優(yōu)越性能，以下參數設計在逆變器空載下進行，逆變器在空載運行時諧波畸變最大，阻尼最小。采樣頻率都為10kHz，逆變器輸出電容C為200μF，電感L為1mH，等效阻感為1Ω，系統(tǒng)諧振頻率為ωn=6742.2rad/s，阻尼比ξ=0.0405。

所以逆變系統(tǒng)空載傳遞函數：

從（8）可知被控對象含有高頻諧振尖峰,并且被控對象也有一定的相位滯后。

由被控對象的特點，這里采用模型對消法[5],為此設計了補償環(huán)節(jié)C(z)=KrzkS2(z)S1(z), 在重復控制中，由于死區(qū)效應和非線性負載引起的諧波主要是中低頻的，所以設計輸出Ur幅值補償增益接近1，這里取Kr=1。S2(z)為陷波濾波器，用來抵消被控對象的諧振尖峰。S1(z)為低通濾波器，用于衰減濾除諧振尖峰后的高頻諧波信號。zk.為相位超前環(huán)節(jié)，由濾波器S1和空載被控對象P都有一定的相位滯后，正好補償了其相位滯后。

陷波濾波器的一般表達式為：

因為z=ejωT=ejθ，所以：

當S(θ)=0，此時的該陷波器對特定頻率有最強的衰減[13]。可得：2cosmθ+a=0，當且僅當a=2滿足條件，此時mθ=π，θ=ωT，所以m=π/θ=3.58，這里取m=4，得到此時的陷波濾波器為：

以下是低通濾波器S1(z)設計，二階低通濾波器的模型為：

根據本系統(tǒng)的參數代入可得：

由以上分析可知，二階低通濾波器S1和空載被控對象P都有一定的相位滯后，為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定，這里設計相位超前環(huán)節(jié)zk.。經研究可知，當k為4到5之間可得最佳補償效果，本文超前節(jié)拍k取5，即zk=z5。

5.系統(tǒng)復合控制仿真分析

三相逆變復合控制系統(tǒng)如圖3所示，直流側參考電壓Udc*=660V，電網電壓為380V，濾波電感電容L=1.5mH，C=200μF，逆變輸出等效電阻R=1Ω，電流環(huán)PI控制參數為Kp=5，Ki=66，電壓環(huán)PI參數為Kp=2.1，Ki=1000。開關頻率f =10kHz，重復控制模塊參數與上述一致。

圖3 三相逆變系統(tǒng)復合控制仿真結構圖

（1）非線性負載在雙閉環(huán)PI控制和復合控制下的系統(tǒng)仿真結果。電壓單位為V，電流單位A。

圖4 并網電壓電流波形

圖4為并網電壓電流波形，電流1為復合控制下并網電流，電流2為PI控制下的并網電流。經計算在相同非線性負載條件下，并網電流諧波畸變率PI控制下為6.83%，復合控制下為4.31%。

（2）圖5是復合控制在電網電壓波動情況下的并網仿真。

圖5仿真結果表明：在相同的非線性負載下，復合控制將并網諧波畸變率由6.83%降到4.31%。電網電壓在0.02s至0.03s和0.06s至0.07s之間升高跌落各20%情況下，兩次波動時間都為0.01s，并網電流基本保持穩(wěn)定，沒有發(fā)生明顯的波動。

圖5 復合控制下并網電壓電流波形

6.總結

本文提出的基于重復控制理論的復合控制策略，通過分析和論證，該控制策略能有效降低并網電流諧波畸變率，對負載波動信號能有效的抑制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，為并網控制技術的改進提供參考。

[1]康勇,詹長江,彭力.三相SPWM逆變電源重復控制技術的研究[J].電力電子技術,1997(02):12-13.

[2]張凱,彭力,熊健.基于狀態(tài)反饋與重復控制的逆變器控制技術[J].中國電機工程學報,2006(10):78-79.

[3]齊東流,李多山,肖本賢.基于重復控制與電壓雙閉環(huán)控制的逆變器設計[J].通信電源技術,2009(03):87-89.

[4]李鑫,姚勇濤,張逸成,韋莉.采用電容電流內環(huán)的逆變器雙閉環(huán)控制研究[J].電氣傳動,2008(02):45-49.

[5]任軍輝等.1100kV直流輸電工程直流濾波器方案研究[J].高壓電器,2013(03):67-68.