基于比例諧振控制的電流源逆變器性能研究

王超安樹懷秦慶山孫振海吳紹軍

(1.國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東 青島266002；2.山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；3.山東睿電能源科技有限公司，山東 濟(jì)南250101)

0 引言

隨著反向阻斷型功率開關(guān)器件和電感儲能技術(shù)的發(fā)展，具有效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)的電力電子逆變器在電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)的電氣設(shè)備，電力電子逆變器更加靈活，能為分布式發(fā)電提供無縫接入的可靠接口，在智能電網(wǎng)中起著越來越重要的作用[1]。逆變器通常分為兩類:電壓源逆變器和電流源逆變器。電壓源逆變器輸出特定的脈沖寬度調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation)電壓波形，電流源逆變器輸出特定的電流波形[2-5]。在傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，大多采用的逆變器為電壓源性逆變器，其中單極性電壓源性逆變器工作場合只能為直流側(cè)電壓高于網(wǎng)側(cè)電壓，且直流側(cè)電壓為恒定值[6]。隨著功率開關(guān)器件和電感儲能技術(shù)的發(fā)展，在功率范圍為0.4 MW～40.0 MW、電壓范圍為2.3 kV～13.8 kV的中壓驅(qū)動系統(tǒng)中，電流源逆變器已成為應(yīng)用最廣泛的中壓逆變器[7]。電流源逆變器較電壓源逆變器具有短路保護(hù)功能、輸出電流可控、更少的電力電子器件等優(yōu)點(diǎn)，能在直流電壓低于電網(wǎng)電壓峰值的場合中工作，且能在寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓[8-9]，這些特性使得電流源逆變器在輸入電流紋波小、單極升壓大容量電能變換等各種功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中備受關(guān)注，如光伏發(fā)電系統(tǒng)、不間斷電源及變速驅(qū)動系統(tǒng)[10-11]。

為了保持交流側(cè)較低的諧波電流，傳統(tǒng)控制方案通常需要電流源逆變器工作在較高的開關(guān)頻率[12]。但電流源逆變器在直流側(cè)使用大的直流儲能電感，協(xié)同交流側(cè)的電感電容濾波環(huán)節(jié)，出現(xiàn)了電流畸變和震蕩等問題，降低了電能質(zhì)量，大大制約了電流源型逆變器在分布式PV系統(tǒng)中的發(fā)展[13]。通過比較并網(wǎng)逆變器基于傳統(tǒng)比例積分PI(Proportional Integral)控制器與比例諧振 PR(Proportional Resonance)控制器的控制技術(shù)及其應(yīng)用效果發(fā)現(xiàn)，即使PI控制的比例系數(shù)、積分系數(shù)與PR控制的比例系數(shù)、諧振系數(shù)完全相同，但PR控制下的系統(tǒng)響應(yīng)時間更快、控制與跟蹤精度更高[14]。鑒于此，文章采用基于PR控制的電流源逆變器，精確地跟蹤正弦波信號[15-17]，分別實(shí)現(xiàn)對分布式發(fā)電系統(tǒng)電流和系統(tǒng)電壓的優(yōu)化控制，分析了電流源逆變器的在光伏發(fā)電系統(tǒng)和不間斷供電系統(tǒng)UPS(Uninterruptible Power System)2種應(yīng)用場合的控制方案特性，給出了控制系統(tǒng)的頻域分析，并在光伏系統(tǒng)和不間斷供電系統(tǒng)中驗證了控制策略的有效性。

1 基于比例諧振控制的電流源逆變器配置與控制結(jié)構(gòu)

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)中電流源逆變器配置與控制結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的電流源逆變器配置與控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。上部是光伏發(fā)電系統(tǒng)的電路部分，PV為光伏陣列，Grid代表電網(wǎng)，6個集成門極換流晶閘管IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors)或絕緣柵雙極型晶體管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)用來保證電流從直流側(cè)到交流側(cè)的單向流動[18]。交流側(cè)電容Cf有助于逆變器換流和濾除交流側(cè)電流中的諧波，電阻Rs和電感Lf串聯(lián)以改善交流側(cè)濾波器的衰減能力，逆變器連接電網(wǎng)的電壓為Vg，逆變器直流側(cè)連接電感降低直流電流波動，電流源逆變器實(shí)現(xiàn)了將直流轉(zhuǎn)換成交流的功能。下部為光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制部分，通過PR控制器調(diào)節(jié)電網(wǎng)電流ig。

電網(wǎng)參考電流可以通過給定的有功功率P*、無功功率Q*和鎖相環(huán)給出的電網(wǎng)相角θαβ計算得到。通過比例諧振控制器將換算成逆變器參考電流，用直流側(cè)電流id除以可得空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)的調(diào)試參考變量[19]。相比電壓源逆變器傳統(tǒng)的雙回路控制器跟蹤電網(wǎng)電流，電流源逆變器的單回路控制器跟蹤電網(wǎng)電流具有明顯的優(yōu)勢。光伏發(fā)電系統(tǒng)電流源逆變器的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，參考電流為系統(tǒng)輸入，系統(tǒng)電壓擾動為Vg，電網(wǎng)電流ig系統(tǒng)輸出。PR控制器用來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流跟蹤，其傳遞函數(shù)由式(1)表示為

式中:GPR(s)為PR控制器的傳遞函數(shù)；kp、kr分別為比例增益、諧振增益；ω0、ωc分別為系統(tǒng)基波頻率、截止頻率，Hz?；赑R控制器的電流控制性能可以用頻域分析法進(jìn)行分析。ig到Vg的傳遞函數(shù)伯德圖如圖3所示?？梢钥闯?，在幾乎所有的頻率下幅值增益都非常小，在基波頻率下更為明顯。因此，電網(wǎng)電流對電網(wǎng)電壓的擾動不敏感。ig到的傳遞函數(shù)伯德圖如圖4所示。在基波頻率下ig對的幅頻響應(yīng)為0 dB，相頻響應(yīng)為0，表明電流源逆變器具有良好的電流跟蹤性能。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)電流源逆變器配置與控制結(jié)構(gòu)圖

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)電流源逆變器控制結(jié)構(gòu)方框圖

圖3 電網(wǎng)電流ig對電網(wǎng)電壓Vg的伯德圖

圖4 電網(wǎng)電流ig對參考電流的伯德圖

1.2 不間斷供電系統(tǒng)中電流源逆變器配置與控制結(jié)構(gòu)

當(dāng)電網(wǎng)供電斷開時，不間斷供電系統(tǒng)UPS可以對負(fù)載提供連續(xù)的供電。電流源逆變器應(yīng)用于不間斷供電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的控制策略如圖5所示。電流源逆變器的結(jié)構(gòu)與圖1相同，控制的目標(biāo)變?yōu)楸３重?fù)載側(cè)供電的電壓質(zhì)量。直流側(cè)計入電池儲能系統(tǒng)，用DC/DC變換器和電感Ld來降低直流電流id紋波[20]。在電流源逆變器的交流側(cè)，非線性負(fù)載接入公共連接點(diǎn)用來驗證系統(tǒng)的性能。

圖5的下部為不間斷供電系統(tǒng)逆變器控制結(jié)構(gòu)，與圖1的控制部分相似，為基于PR控制器的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。PR控制器通過抑制負(fù)載諧波電流來保證系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。具有多諧振頻率的比例諧振控制器用來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電壓跟蹤控制，多諧振頻率PR控制器傳遞函數(shù)由式(2)表示為

式中:GV＿PR(s)為多諧振頻率PR控制器傳遞函數(shù)；h為頻率階數(shù)，當(dāng)h=1時代表基波頻率，根據(jù)系統(tǒng)需求，h可以擴(kuò)展到 11、13、17、19 等，用來消除 11、13、17、19次等高次諧波；krh和ωch分別為h次諧波下的諧振增益和截止頻率。

不間斷供電系統(tǒng)逆變器的控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中系統(tǒng)輸入為公共連節(jié)點(diǎn)參考電壓，系統(tǒng)擾動為負(fù)載側(cè)電流iL，系統(tǒng)輸出為公共連接點(diǎn)電壓VPCC。VPCC到負(fù)載側(cè)電流iL的傳遞函數(shù)伯德圖如圖7所示。可以看出，輸出電壓對負(fù)載側(cè)電流的響應(yīng)在所選頻率下幅值增益較低。因此，負(fù)載側(cè)電流對輸出電壓的影響較小。VPCC到的傳遞函數(shù)伯德圖如圖8所示?？梢钥闯?，系統(tǒng)在所選頻率下的幅頻響應(yīng)為0，相頻響應(yīng)為0，很好地保證了在基波和所選諧波頻率下的電壓跟蹤控制效果。

圖5 UPS電流源逆變器配置與控制結(jié)構(gòu)圖

圖6 UPS電流源逆變器控制結(jié)構(gòu)圖

圖7 公共連接點(diǎn)電壓對負(fù)載電流的響應(yīng)圖

2 基于比例諧振控制的電流源逆變器性能研究

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)中電流源逆變器的性能研究

為驗證電流源逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的性能，進(jìn)行了仿真試驗。系統(tǒng)仿真中光伏發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)見表1。系統(tǒng)給定參考有功功率為5 kW，參考無功功率為0。電流源逆變器的仿真結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯觯娋W(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相位，即電網(wǎng)的功率因數(shù)為1。PWM開關(guān)電流波形如圖9(c)所示，不同于電壓源逆變器輸出連續(xù)電流，電流源逆變器輸出電流不連續(xù)。因此，電流源逆變器需安裝濾波電容吸收開關(guān)紋波。電網(wǎng)電流的諧波頻譜如圖10所示，諧波畸變率THD(Toal Harmonic Distortion)為3.22%，可以看出電流跟蹤控制效果良好，很好地滿足了光伏并網(wǎng)的電能質(zhì)量要求。

圖8 公共連接點(diǎn)電壓對參考電壓的響應(yīng)圖

表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)表

圖9 光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器仿真結(jié)果圖

圖10 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電流諧波頻譜圖

2.2 不間斷供電系統(tǒng)中電流源逆變器性能的研究

為驗證電流源逆變器在不間斷供電系統(tǒng)中的性能，進(jìn)行了仿真試驗，并對采用比例諧振控制器前后結(jié)果進(jìn)行了對比。仿真中不間斷供電系統(tǒng)參數(shù)見表2。僅有基頻比例控制器的控制效果如圖11所示，電壓波形的頻譜圖如圖12所示。由于非線性負(fù)載的影響，公共連接點(diǎn)的電壓波形失真嚴(yán)重，THD為15.64%。

比例諧振控制器的控制效果如圖13所示，可以看出控制性能比單純基頻比例控制器明顯提高，電壓波形的頻譜圖如圖14所示，公共連接點(diǎn)的電壓波形THD為2.26%，可以看出，5、7次諧波得到明顯抑制。因此，使用比例諧振控制器后，公共連接點(diǎn)電壓不會受到非線性負(fù)載諧波的影響。

表2 不間斷供電系統(tǒng)參數(shù)表

圖11 UPS逆變器控制仿真效果圖(h=1)

圖12 UPS公共連接點(diǎn)電壓諧波頻譜圖(h=1)

圖13 UPS逆變器控制仿真效果圖(h=1、5、7)

圖14 UPS公共連接點(diǎn)電壓諧波頻譜圖(h=1、5、7)

3 結(jié)論

文章分析了電流源逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)和不間斷供電系統(tǒng)2種應(yīng)用場合的控制方案特性，設(shè)計了比例諧振控制器控制策略，給出了控制系統(tǒng)的頻域分析，并進(jìn)行了仿真驗證，主要結(jié)論如下:

(1)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，應(yīng)用基于比例諧振控制的電流源逆變器，電網(wǎng)電流的THD為3.22%，電流跟蹤控制效果良好，能夠很好地滿足了光伏并網(wǎng)的電能質(zhì)量要求。

(2)在不間斷供電系統(tǒng)中，比例諧振控制器的控制性能比單純基頻比例控制器明顯提高，公共連接點(diǎn)的電壓波形THD為2.26%，使用比例諧振控制器后，公共連接點(diǎn)電壓不會受到非線性負(fù)載諧波的影響。