基于下垂控制的多環(huán)反饋控制器設(shè)計

文/程立 田斐

1 引言

微電源發(fā)出的電能必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能輸送給用戶使用，在此過程中涉及到了逆變技術(shù)，如何控制逆變器使輸出的電能達(dá)到要求對于微電網(wǎng)的運行很重要。下垂控制是模擬傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)中有功功率與頻率之間和無功功率與電壓之間的下垂關(guān)系來控制逆變器。

當(dāng)電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)角非常小的時候，電壓和頻率與輸出的功率可以用下垂特性關(guān)系式（如式1）表示。利用這一特性可以實現(xiàn)對電壓和頻率的控制。原理如圖1所示，檢測單元測出逆變器輸出的功率P和Q，通過式1得到輸出電壓頻率和幅值的參考值fref和Uref。

2 基于下垂控制的多環(huán)反饋控制器設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

基于下垂控制的多環(huán)反饋控制器由兩部分組成，開環(huán)部分包含微電源、逆變器、濾波器、負(fù)載和饋線，把直流微電源變成交流電供給負(fù)載Zi使用，Lfi、Cfi和Rfi構(gòu)成的濾波器可以濾除逆變器產(chǎn)生的諧波?？刂破鞑糠钟晒β蕼y量模塊、下垂特性功率控制模塊、電壓電流雙環(huán)控制模塊和SPWM調(diào)制模塊組成。功率測量模塊采集到負(fù)荷點的電壓U1dt和逆變器輸出的電流i1dt并計算出此時的功率，然后傳遞給下垂控制模塊，由式1的下垂關(guān)系式得到的作為電壓環(huán)的參考電壓，經(jīng)電壓環(huán)得到的作為電流環(huán)的參考電流，分別與負(fù)荷點電壓U1dt和濾波器的電容電流iCi作比較，經(jīng)電流環(huán)控制模塊后得到可控正弦波調(diào)制信號，用來控制逆變器的輸出。

圖2：有負(fù)載變化時逆變器輸出的電壓、電流、頻率波形和有功功率

2.2 濾波器設(shè)計

為了濾除SPWM控制逆變器模塊中的IGBT器件在開關(guān)時會產(chǎn)生的額大量諧波，需要在主電路中加入濾波器模塊?？紤]到LC濾波器容易發(fā)生諧振，因此在設(shè)計時加入了濾波電阻。工程中，LC濾波器的截止頻率必須比最低次諧波的頻率小得多，還要求比基波頻率大很多才能達(dá)到要求。在設(shè)計時需要遵循以下原則：

由式2可以確定濾波器截止頻率的取值范圍，一般情況下，選擇取值范圍的中間值來計算濾波器的參數(shù)。在設(shè)計時，還要讓濾波電感上電壓不能低于系統(tǒng)電壓的3%。通過計算，得到濾波器的參數(shù)Lf=0.6mH，Cf=1500μF，Rf=0.01Ω。

2.3 功率測量模塊設(shè)計

下垂控制中需要知道電網(wǎng)側(cè)的電壓和電流，并且要把采集到的三相坐標(biāo)系下的母線電壓和電流經(jīng)過派克變換轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系下，由式3

設(shè)計出abc-dq轉(zhuǎn)換模塊，得到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系下的ud、uq、id、iq，再由旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系下功率計算公式

可以得到得到逆變器輸出的功率瞬時值。

2.4 下垂控制模塊設(shè)計

上面的功率測量模塊得到了有功功率P和無功功率Q，由式5所示的公式計算出下垂系數(shù)m=1×10-6，n=3×10-5。

下垂控制模塊得到電壓和功率的參考值后，根據(jù)式6把它們合成三相電壓。

2.5 電壓電流雙環(huán)控制器設(shè)計

為了減小負(fù)荷變化引起的擾動對逆變器輸出電壓產(chǎn)生的影響，加強(qiáng)對控制的快速響應(yīng)，以及必須讓逆變器的輸出阻抗呈感性從而減少有功和無功控制受線路的耦合程度，特引出了電壓電流雙環(huán)控制器的設(shè)計。

在電壓電流雙環(huán)系統(tǒng)中，電壓環(huán)為外環(huán)，Uref是它的參考電壓，逆變器輸出端的電壓作為被控量，采用PI調(diào)節(jié)器以穩(wěn)定輸出電壓。Iref是內(nèi)環(huán)電流環(huán)的參考電流，考慮到如果采用電感電流作為反饋會導(dǎo)致外特性較軟，容易受到線路參數(shù)的影響而導(dǎo)致采樣精度不高，放棄了使用電感電流而選擇電容電流作為電流環(huán)的控制量，電流內(nèi)環(huán)主要是為了提高響應(yīng)速度，選擇P調(diào)節(jié)器。

3 結(jié)果分析

選 擇Udc=800V，fn=50Hz，fs=6000Hz，濾波器的參數(shù)為Lf=0.6mH，Cf=1500μF，Rf=0.01Ω，接20kW的負(fù)載。在下垂控制的作用下，微電網(wǎng)分布式電源輸出的電壓和相角被穩(wěn)定在下垂控制器產(chǎn)生的參考電壓和相角，頻率也更加穩(wěn)定的表現(xiàn)為參考值，而且能夠使系統(tǒng)在有擾動狀態(tài)更快的穩(wěn)定下來。

模擬負(fù)荷突變的情況，在主電路中加入一個斷路器和一個相同的負(fù)載，斷路器設(shè)置為在0.3s時閉合，增加負(fù)載；在0.6s時斷開負(fù)載。

由圖2可以看出，當(dāng)有負(fù)荷突變時，逆變器輸出的電壓幾乎沒有發(fā)生變化，頻率只是由50Hz變成了49.98Hz，波動很小，達(dá)到要求，說明該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。在增加負(fù)載后，負(fù)荷變了，微電網(wǎng)的功率輸出需要重新分配，故逆變器輸出的功率在0.01s內(nèi)已經(jīng)變成新的值，說明該系統(tǒng)的響應(yīng)很快。