一種無(wú)鎖相環(huán)的微電網(wǎng)逆變器預(yù)同步控制策略

黎榮偉，范元亮，許家浩，陳浩輝，陳思哲

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福建 福州 350007；3.福建省高供電可靠性配電技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350007)

微電網(wǎng)是一種能充分發(fā)揮分布式能源效益的小型供電系統(tǒng)，它可以將不穩(wěn)定的分布式電源轉(zhuǎn)變成高質(zhì)量的電能，是利用新能源的有效途徑[1-2]。微電網(wǎng)既可以工作在并網(wǎng)模式下向主電網(wǎng)輸出或者吸收功率，也可以工作在離網(wǎng)模式下單獨(dú)為本地負(fù)載供電。微電網(wǎng)逆變器要保證在2種模式下穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)2種模式之間的平滑切換。在離網(wǎng)向并網(wǎng)切換時(shí)，由于微電網(wǎng)電壓的相位和幅值與主電網(wǎng)電壓存在偏離，直接合閘會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)過電壓或過電流，危害電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[3-5]。

為確保微電網(wǎng)逆變器并網(wǎng)的平滑切換，學(xué)者們研究如何實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電壓的相位預(yù)同步。傳統(tǒng)的相位預(yù)同步方法利用鎖相環(huán)(phase locked loop，PLL)獲取微電網(wǎng)電壓和主電網(wǎng)電壓的相位，通過調(diào)節(jié)兩者的相位差為0來(lái)實(shí)現(xiàn)同步[6-9]，該方法需要3個(gè)PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)參數(shù)眾多，控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜。此外，鎖相環(huán)對(duì)電壓相位的突然變化十分敏感，在電壓異常波動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，不利于微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[10-11]。文獻(xiàn)[12]通過在單環(huán)電流控制工作時(shí)更新下垂控制的參考相位，實(shí)現(xiàn)只需要1個(gè)鎖相環(huán)檢測(cè)電網(wǎng)相位，省略了2個(gè)PI調(diào)節(jié)器。

由于鎖相環(huán)的局限性，一些無(wú)鎖相環(huán)的并網(wǎng)策略已經(jīng)展開研究[13-14]。文獻(xiàn)[13]提出基于直接電壓鑒相原理的預(yù)同步控制策略，使微電網(wǎng)在無(wú)鎖相環(huán)控制的方式下實(shí)現(xiàn)預(yù)同步。文獻(xiàn)[14]提出通過消除微電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電壓q軸分量的偏差實(shí)現(xiàn)相位同步，從而消除鎖相環(huán)，但需要2次Park變換和積分環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[15]利用微電網(wǎng)和電網(wǎng)的電壓構(gòu)造新的控制變量，通過調(diào)節(jié)控制變量實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的預(yù)同步。文獻(xiàn)[16]基于虛擬同步機(jī)控制的相位自激能力提出一種預(yù)同步控制策略，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同步時(shí)間短，然而僅適用于系統(tǒng)離網(wǎng)狀態(tài)不帶負(fù)載的情況。文獻(xiàn)[17]利用虛擬阻抗抑制并網(wǎng)電流沖擊，實(shí)現(xiàn)逆變器并網(wǎng)的平滑切換。文獻(xiàn)[18]提出基于虛擬阻抗的預(yù)同步控制策略，利用電壓差和虛擬阻抗產(chǎn)生虛擬功率，通過調(diào)節(jié)虛擬功率為0實(shí)現(xiàn)下垂控制逆變器的預(yù)同步，但難以應(yīng)用到電壓-頻率(voltage & frequency，VF)控制策略中。文獻(xiàn)[19]提出一種新的相位跟蹤環(huán)，通過引入虛擬阻抗實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓相位的跟蹤，不需要鎖相環(huán)和PI調(diào)節(jié)器，參數(shù)整定比較簡(jiǎn)單；然而，此相位跟蹤環(huán)只適用于離網(wǎng)狀態(tài)下逆變器沒有功率輸出的情況，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)算量大。

針對(duì)上述問題，本文在現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上提出一種新的逆變器預(yù)同步控制策略。首先利用微電網(wǎng)與主電網(wǎng)的電壓偏差相量和虛擬阻抗計(jì)算虛擬電流，然后通過調(diào)節(jié)虛擬電流為0來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的預(yù)同步。該方法不需要鎖相環(huán)和PI調(diào)節(jié)器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)整定比較容易，而且免受鎖相環(huán)延遲和精度的影響，可以快速實(shí)現(xiàn)相位的跟蹤。與文獻(xiàn)[19]相比，本文的方法能夠適用于離網(wǎng)狀態(tài)下逆變器有功率輸出的情況，并且在結(jié)構(gòu)上減少了1次Park變換，也不需要計(jì)算電壓幅值，大大減少了運(yùn)算量。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制策略

微電網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)和整體控制策略如圖1所示。逆變器主要由直流電源Udc、三相全橋變流器、濾波器電感L和電容C、本地負(fù)載Z、靜態(tài)切換開關(guān)(static transfer switch，STS)、網(wǎng)側(cè)電感Lg、網(wǎng)側(cè)電阻Rg以及電網(wǎng)等構(gòu)成。當(dāng)STS閉合時(shí)，微電網(wǎng)與主電網(wǎng)連接，逆變系統(tǒng)工作在并網(wǎng)模式；STS斷開時(shí)，系統(tǒng)以孤島模式運(yùn)行。圖1中：uo為逆變器輸出電壓(uoa、uob、uoc為其三相電壓)，也指微電網(wǎng)的交流母線電壓；io為逆變器輸出電流(ioa、iob、ioc為其三相電流)；ug為公共連接點(diǎn)(point of common coupling，PCC)電壓(uga、ugb、ugc為其三相電壓)，本文提到的電網(wǎng)電壓均指PCC點(diǎn)電壓；id、iq為輸出電流的dq軸分量；ud、uq為輸出電壓的dq軸分量；Usinθ為三相電壓合成環(huán)節(jié)，θ為相位；θref為參考相位；U0為額定電壓幅值；Uref為參考電壓幅值；ω0為額定角頻率；ωref為參考角頻率；Pref、Qref分別為有功功率、無(wú)功功率參考值；P、Q分別為實(shí)際有功功率、無(wú)功功率；n、m分別為有功、無(wú)功下垂系數(shù)；Rv、Lv為虛擬阻抗；iv為虛擬電流，ivd、ivq分別為其dq軸分量；Kd、Kq分別為幅值、相位調(diào)節(jié)系數(shù)；Uc、ωc分別為電壓、角頻率調(diào)節(jié)量；s為拉普拉斯算子；S1、S2為開關(guān)。

圖1 微電網(wǎng)逆變器電路與控制結(jié)構(gòu)

在并網(wǎng)和離網(wǎng)2種工作模式下逆變器功率外環(huán)均采用下垂控制，在運(yùn)行模式切換時(shí)避免了控制策略的切換，減少了切換步驟，控制上的連續(xù)性有利于平滑切換[20-21]。逆變器的內(nèi)環(huán)控制器采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電壓電流雙環(huán)控制[22]。首先將有功功率參考值Pref與實(shí)際有功功率P的偏差乘以有功下垂系數(shù)n，再與額定角頻率ω0相加得到參考角頻率ωref，經(jīng)過積分后得到參考相位θref。ω0取主電網(wǎng)的額定角頻率314 rad/s。無(wú)功功率參考值Qref與實(shí)際無(wú)功功率Q的偏差乘以無(wú)功下垂系數(shù)m，并與額定電壓幅值U0相加得到參考電壓幅值Uref，利用電壓幅值和相位信息生成參考電壓信號(hào)。U0取主電網(wǎng)的額定電壓幅值311 V。功率外環(huán)產(chǎn)生的參考電壓信號(hào)通過電壓電流雙閉環(huán)控制和正弦脈沖寬度調(diào)制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)生成微電網(wǎng)逆變器的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。

2 并/離網(wǎng)平滑切換控制策略

2.1 預(yù)同步控制策略

(1)

為了實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)和主電網(wǎng)的電壓同步，在兩者之間引入了一個(gè)虛擬阻抗Zv=sLv+Rv，如圖2所示，其中：Iv、θiv分別為虛擬電流的幅值和相位；Ug、Uo分別為微電網(wǎng)電壓和主電網(wǎng)電壓的幅值，θg、θo為對(duì)應(yīng)的相位。

圖2 微電網(wǎng)和主電網(wǎng)的等效電路

用電壓偏差除以虛擬阻抗可以得到虛擬電流

(2)

即

(3)

當(dāng)微電網(wǎng)電壓和主電網(wǎng)電壓的幅值和相位相等時(shí)，即Ug=Uo、θg=θo，意味著兩者實(shí)現(xiàn)同步。無(wú)論虛擬阻抗呈感性或阻性，虛擬電流將變?yōu)?。因此，可以通過設(shè)計(jì)相應(yīng)控制策略調(diào)節(jié)虛擬電流為0來(lái)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與電網(wǎng)電壓的同步。

選取虛擬阻抗為純阻性阻抗，則虛擬電流的相位與電壓偏差的相位一致，其表達(dá)式為

(4)

式中Uerr為電壓偏差的幅值，θerr為其相位。

虛擬三相電流分別為：

(5)

Park變換矩陣

(6)

由式(5)、(6)可得

(7)

圖3 預(yù)同步控制過程相量圖

通過圖3分析各個(gè)相量的關(guān)系。當(dāng)電網(wǎng)電壓相量的大小不變時(shí)，iv的q軸分量ivq可以反映微電網(wǎng)電壓和主電網(wǎng)電壓的相位關(guān)系，而d軸分量ivd可以反映兩者的幅值關(guān)系。當(dāng)主電網(wǎng)電壓超前微電網(wǎng)電壓時(shí)，ivq>0，此時(shí)微電網(wǎng)電壓的頻率將會(huì)增大，相位差逐漸減??；當(dāng)主電網(wǎng)電壓滯后微電網(wǎng)電壓時(shí)，ivq<0，此時(shí)微電網(wǎng)電壓的頻率將會(huì)減小，相位差也會(huì)減小；當(dāng)兩者相位相同時(shí)，ivq=0，且θerr=θref。在兩者相位相同時(shí)：如果兩者之間存在幅值差，則ivd≠0；如果兩者幅值相等，則ivd=0，且Uerr=0。由分析可得，通過控制ivq=0可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電壓和主電網(wǎng)電壓相位同步，通過控制ivd=0可以實(shí)現(xiàn)兩者幅值相等。

文獻(xiàn)[19]提出的相位跟蹤環(huán)如圖4(a)所示，其作用是檢測(cè)電網(wǎng)電壓相位，將檢測(cè)到的相位作為逆變器控制的參考相位，不能實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電壓對(duì)主電網(wǎng)電壓的同步。本文提出的預(yù)同步控制策略如圖4(b)所示，通過消除微電網(wǎng)和電網(wǎng)的電壓差實(shí)現(xiàn)預(yù)同步，適用于微電網(wǎng)狀態(tài)下逆變器有功率輸出的情況。此外，從圖4可以看到，本文的策略在結(jié)構(gòu)上減少了1次Park變換，省略了電壓幅值計(jì)算的環(huán)節(jié)，故減小了運(yùn)算量。圖4中，u為相位跟蹤環(huán)生成的三相電壓，Kp為相位跟蹤環(huán)調(diào)節(jié)系數(shù)，Mag.為幅值計(jì)算模塊。

圖4 預(yù)同步控制

本文提出的預(yù)同步控制策略包括2個(gè)環(huán)節(jié)，角頻率補(bǔ)償環(huán)節(jié)ωc用于實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電壓相位同步，由開關(guān)S2控制；幅值補(bǔ)償環(huán)節(jié)Uc用于實(shí)現(xiàn)幅值同步，由開關(guān)S1控制。以下垂控制生成的參考相位信號(hào)θref作為Park變換的基準(zhǔn)，虛擬電流iv通過變換后得到d軸分量ivd和q軸分量ivq。ivq經(jīng)過相位調(diào)節(jié)后輸出角頻率調(diào)節(jié)量ωc，將ωc與下垂控制得到的角頻率相加生成新的參考角頻率ωref。同理，ivd經(jīng)過積分環(huán)節(jié)后輸出電壓調(diào)節(jié)量Uc，再與下垂控制的電壓幅值相加生成新的參考電壓幅值Uref。故預(yù)同步過程中參考角頻率和電壓幅值的表達(dá)式分別為：

(8)

由于電壓幅值生成過程中沒有積分環(huán)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制，需要在幅值補(bǔ)償環(huán)節(jié)中采用積分環(huán)節(jié)。本文提出的預(yù)同步控制策略通過角頻率補(bǔ)償和幅值補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)，除了適用于下垂控制，還能應(yīng)用于VF控制。

由于虛擬電流并不真實(shí)存在，虛擬阻抗的取值范圍較寬，當(dāng)其取值較小時(shí)可以快速完成同步，但是取值太小會(huì)導(dǎo)致虛擬電流很大，調(diào)節(jié)量過大造成電壓和電流沖擊。本文設(shè)置Rv=0.5 Ω、Lv=0。根據(jù)電壓差和虛擬阻抗的大小，虛擬電流可能高達(dá)額定電流的幾倍。為了限制虛擬電流，相位調(diào)節(jié)系數(shù)Kq的取值范圍為0～0.5。經(jīng)過相位預(yù)同步控制后，虛擬電流的值減到較小，故幅值調(diào)節(jié)系數(shù)Kd的取值相對(duì)較大，本文取Kd=20。

2.2 離網(wǎng)向并網(wǎng)切換

為了避免微電網(wǎng)在并網(wǎng)切換過程中的電流沖擊，要預(yù)先運(yùn)用預(yù)同步控制消除微電網(wǎng)與電網(wǎng)之間的電壓偏差。如圖1所示，并網(wǎng)前首先利用電網(wǎng)三相電壓和微電網(wǎng)三相電壓計(jì)算虛擬電流，接著閉合開關(guān)S2，角頻率補(bǔ)償環(huán)節(jié)開始工作，虛擬電流q軸分量ivq逐漸減小，待ivq接近0后，閉合開關(guān)S1，幅值補(bǔ)償環(huán)節(jié)開始工作，虛擬電流d軸分量ivd接近0時(shí)預(yù)同步結(jié)束，最后閉合STS，并斷開開關(guān)S1和S2，完成微電網(wǎng)離網(wǎng)向并網(wǎng)平滑切換。需要注意相位預(yù)同步和幅值預(yù)同步要分開進(jìn)行，同時(shí)工作會(huì)使調(diào)節(jié)量過大造成電壓波動(dòng)。

2.3 并網(wǎng)向離網(wǎng)切換

在STS動(dòng)作時(shí)如果微電網(wǎng)和電網(wǎng)之間存在功率交換，則會(huì)造成電壓和電流沖擊，因此要在STS動(dòng)作之前減小入網(wǎng)功率至接近0。如圖1所示，首先逐漸減小功率參考值至離網(wǎng)模式下的功率輸出值，在微電網(wǎng)向電網(wǎng)輸送的功率減小為0后，斷開STS完成并網(wǎng)向離網(wǎng)平滑切換。下垂控制具有電壓源的輸出特性，可以在離網(wǎng)模式下為微電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐，內(nèi)部可以生成相位，所以離網(wǎng)切換不用考慮相位問題。

3 硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證

通過RT-LAB硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)驗(yàn)證本文提出的平滑切換控制策略和預(yù)同步控制策略的有效性[23]。設(shè)定逆變器在離網(wǎng)狀態(tài)下輸出有功功率為20 kW，并網(wǎng)后輸出有功功率上升至30 kW，無(wú)功功率3 kvar。微電網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置見表1，硬件在環(huán)仿真平臺(tái)如圖5所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

圖5 基于RT-LAB的微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)

3.1 并網(wǎng)切換

在t=0.4 s前逆變器以離網(wǎng)模式運(yùn)行；在t=0.4 s時(shí)，啟動(dòng)預(yù)同步控制；t=0.8 s時(shí)，STS閉合，微電網(wǎng)并網(wǎng)切換。硬件在環(huán)仿真結(jié)果如圖6所示。圖6(a)給出微電網(wǎng)A相電壓uoa與電網(wǎng)A相電壓uga的動(dòng)態(tài)對(duì)比波形圖和電壓相位差Δθ的波形圖。在并網(wǎng)前，微電網(wǎng)與電網(wǎng)電壓之間的相位差超過50°，在預(yù)同步控制啟動(dòng)后，相位差迅速減小，約0.1 s后完成微電網(wǎng)電壓的相位追蹤。圖6(b)和(c)給出了微電網(wǎng)并網(wǎng)切換的功率、逆變器輸出電流波形。在離網(wǎng)模式下，逆變器向本地負(fù)載供電，輸出有功功率20 kW。完成電壓預(yù)同步后，STS閉合，微電網(wǎng)連接電網(wǎng)向電網(wǎng)輸送功率，有功功率和無(wú)功功率逐漸增大，功率曲線平滑，逆變器輸出電流沒有沖擊，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的平滑切換。

圖6 微電網(wǎng)系統(tǒng)離網(wǎng)向并網(wǎng)切換波形

3.2 離網(wǎng)切換

在離網(wǎng)之前，需要將逆變器向電網(wǎng)輸送的功率減小為0，防止由于切換前后功率不平衡引起電壓電流波動(dòng)。圖7給出了微電網(wǎng)離網(wǎng)切換的輸出電流和功率波形。在切換前，逆變器輸出的功率逐漸減小到與本地負(fù)載相匹配，微電網(wǎng)和電網(wǎng)的功率交換接近0；隨后斷開STS，微電網(wǎng)切換至離網(wǎng)模式運(yùn)行，切換過程中功率過渡平滑，逆變器輸出電流沒有沖擊。

圖7 微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)向離網(wǎng)切換波形

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)由于電壓相位差導(dǎo)致并網(wǎng)電流沖擊的問題，本文提出一種無(wú)鎖相環(huán)的預(yù)同步控制策略。與傳統(tǒng)的相位預(yù)同步控制策略相比，本文所提出的預(yù)同步環(huán)節(jié)不需要使用PI調(diào)節(jié)器，并且控制策略不受鎖相環(huán)的延遲和精度影響。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文的策略適用于微電網(wǎng)狀態(tài)下逆變器有功率輸出的情況，并且結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。將該策略和下垂控制相結(jié)合，提出一種完整的并/離網(wǎng)模式平滑切換的控制策略。仿真結(jié)果表明，本文所提出的預(yù)同步控制策略可以有效跟蹤電網(wǎng)電壓相位，而且運(yùn)算量小，同步的速度較快，利于實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行模式之間的平滑切換。此策略除了應(yīng)用在下垂控制還可以推廣到其他的控制器中，實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)向并網(wǎng)的平滑切換。