逆变器在分布式发电系统并网的无功控制应用

2011-07-25王延海王诺

电气开关 2011年5期

王延海，王诺

(山东省电力集团公司，山东枣庄 277000)

1 引言

目前，集中发电，远距离输电和大电网互联的电力系统是电能生产、输送和分配的主要方式。容量越来越大的电网虽有其优点，但它也存在一些弊端，主要有:(1)不能灵活跟踪负荷的变化;(2)局部事故极易扩散。

基于以上的问题，分布式发电这种环保、高效、灵活的发电方式已经成为21世纪电力系统重要的研究方向，分布式电源与区域电网并联运行的发展趋势也越来越明显。分布式电源并网是指分布式发电(distributed generation，DG)与区域电网建立相应的物理连接。在并网技术中，逆变接口逆变电路及其控制是核心，目前工业应用最广泛的还是数字P I控制。

本文研究了分布式发电系统并网逆变器的无功控制策略。主要利用三相电压型并网逆变器的数学模型，针对有功，无功独立调节的要求，提出了采用同步PI电流控制的控制方案，在此方案的基础上进行了仿真。

2 并网逆变器的控制系统设计

基于三相电压型PWM逆变器dq模型，控制系统的设计一般采用双环控制，即电压外环和电流内环。电压外环的作用主要是控制逆变器直流侧电压，而电流内环的作用主要是按电压外环的输出的电流指令进行电流控制。因为我们要实现对无功分量的独立控制，通常选取q轴与电网电动势矢量E重合，这样q轴表示无功分量参考值，d轴表示有功分量参考值。

2.1 同步PI电流控制

同步PI电流控制原理框图见图1。

图1 同步PI电流控制原理框图

电流内环实现网侧正弦波电流控制，由于采用同步旋转坐标系控制结构，三相对称的交流电网电压和交流电流变换到同步旋转坐标系中成为直流量，因此电流内环采用PI调节器可以实现无静差调节。为了实现对无功分量的独立控制，将电网电动势的空间矢量与q轴定向，则:

式中，Em为电网电动势峰值。

三相电压型逆变器在同步旋转坐标系下的数学模型为:

相应的，系统的有功功率和无功功率可以表示为:

q轴电流表示有功电流分量，d轴电流为无功电流分量。另一方面，从数学模型可以看到，dq轴存在着相互耦合关系，给控制器设计造成一定困难。采用前馈解耦控制策略，可以实现有功、无功电流，即三相网侧有功、无功分量的独立调节。电流dq轴分别经过各自的PI调节器以及前馈解耦控制产生三相桥臂中点电压vd，vq，该电压变换到两相静止坐标系下，经过SVPWM调制后输出脉冲驱动整流桥各开关。

q轴电流表示有功电流分量，因此直流电压PI调节器输出作为电流内环的有功电流给定，控制整流器交直流两侧的有功能量的传递;无功电流给定可以直接作为系统无功给定输入，也可以采用无功功率给定q*，通过系数变换1/eq传递给无功电流给定。

同步PI电流控制优点明显:采用同步坐标系下控制，可实现有功/无功电流解耦控制，有功/无功功率独立调节;采用PI调节器可以实现无静差调节，能够获得较好的动静态特性;开关频率固定等。

2.2 电压外环控制系统设计

因为电压环主要考虑提高对负载的抗扰能力，所以按II型系统设计。为减少超调，可以对给定电压加滤波环节或者采用斜坡给定，使电压给定变化缓慢得以解决。

当电网电动势矢量定位在q轴方向时，eq=Em，ed=0。假设三相电流对称，则三相交流电感上的瞬时功率为零，得到直流电压和交流电流的关系表达式为:

进一步变换为:

由于eq和vdc的值变化不大，因此可以将3eq/2vdc用常数K表示。不考虑负载扰动，有功电流和直流电压的传递函数表达式为:

令PI调节器控制方程:

图2 电压环控制结构图

得到电压开环传递函数:

按照典型Ⅱ型系统设计，有

2.3 电流内环控制系统设计

令vq=vdcsq，vd=vdcsd，则两相同步旋转坐标系(d－q)中的数学模型可以表达为:

式中，ed、eq为电网电动势矢量E⇀的d，q分量;vd、vq为交流侧电压矢量的d，q分量;id、iq为交流侧电流矢量的d，q分量。

可以看到该数学模型是一个强耦合系统，即d轴电流的变化对q轴电流有影响，而q轴电流的变化对d轴电流也有影响。为了消除d、q轴电流之间的耦合项，同步PI电流控制中常采用前馈解耦控制策略，电流环调节器采用比例积分调节器，控制方程如下:

dq轴电流得到解耦:

上式说明前馈的控制算法使三相电压型逆变器电流内环iq、id实现了解耦控制。由于电流内环的对称性，下面以id为例研究电流调节器的设计。考虑电流内环信号采样的延迟和PWM控制的小惯性特性，已解耦的id电流内环结构如图3所示。

图3 d轴无功电流环结构

使PI调节器的零点抵消电流控制对象传递函数的极点，即τi=L/R，从而得到电流开环传递函数:

图4 d轴无功电流环简化结构

按典型 I型系统参数整定关系，取阻尼比为0.707，得:

求解得到PI参数:

电流内环闭环传递函数为:

当开关频率足够高，即Ts足够小时，由于s2项系数远小于s系数，因此s2项可以忽略，则Wci可简化成

电流内环简化等效传递函数为:

另一种情况，即当ωL＞＞R时，可令(1/R)/［(L/R)s+1］≈1/(Ls)，电流内环控制结构如图5所示。

图5 d轴无功电流环结构

电流开环传递函数为:

按典型I型设计时，与电流内环PI调节器中零点对应的时间常数τi和典型I型系统开环传递函数极点对应的时间常数1.5T相比，其比值过大，所以电流内环抗干扰性不理想。但由于使用前馈控制，扰动得到改善。II型系统抗扰性较好，但跟随会有大的超调。从计算参数结果上看两者没有大的差异，因此，在实际调试时应综合考虑取得最佳的参数值。

3 仿真及结论

本文采用的仿真参数如下:

图6为整流器系统工作在1kW有功功率下，调节无功功率给定得到的交流电压电流、直流电压和有功无功功率的仿真波形。系统在0.1s时刻吸收500var感性无功功率;在0.2s时刻无功功率为零;在0.3s时刻发出500var容性无功功率。整个过程中交流电流、直流电压和有功功率在无功调节过程中波动变化不大，响应速度也很快。