一种新能源发电并网控制技术研究

2015-01-04葛启桢

船电技术 2015年5期

陈卓，葛启桢

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

0 引言

随着化石能源的日益枯竭、环境污染日趋严重的危机，急需一种高效绿色的能源。作为一种新型的清洁能源，海洋潮流能的开发和利用也日益受到重视，其中潮流能并网发电成为其利用的主要研究方向并且也得到了快速发展[2]。然而当潮流能并网逆变器并网运行时，逆变器的拓扑电路结构及其控制方法与传统的逆变器有相似和不同之处。并网发电输出的电压的频率要与电网的频率绝对保持一致，与传统逆变器输出电压的频率控制方法不一样。传统的逆变器主要是改变输出电压的频率，其变化范围较大；而在并网运行时，其频率只在电网频率50 Hz左右变化。如何控制其输出电流波形，快速而准确的跟踪电网电压小范围波动，尽量减少其对电网的谐波污染并输送符合标准的电能成为其并网运行的研究难点和重点。为了保证逆变器并网成功，满足单位功率因数输出，必须加入锁相环，保证并网逆变器输出电流与电网电压一致。传统的硬件锁相环电路复杂，调试难度大，且存在直流零点漂移和器件饱和等问题。本文采用一种软件锁相环，实现了对电网电压频率和相位的跟踪。

1 潮流能并网逆变器的结构和原理

潮流能并网发电系统的拓扑结构如图1所示。

由图中可知，潮流能发电系统一般由水轮机，永磁同步发电机，AC/DC变换器以及并网逆变器等几个部分构成。

水轮机带动发电机发出的电经过 AC/DC变换器得到逆变器直流输入，经由逆变器得到三相交流电并入电网，本文控制系统采用 ARM 的STM32控制器控制，输出的交流电再由交流滤波器滤波输出到电网。其中 AC/DC变换器包含最大功率点跟踪 MPPT（Maximum Power Point Tracking）以及 BOOST升压得到并网电流幅值基准以及逆变器直流输入。

在并网发电系统中，由于电网电压是恒定的，因此只需要控制并网电流，逆变器输出端需要采用适当的技术使并网电流与电网电压同频同相，输出功率因数为1。锁相技术应用于并网逆变器中对电网的频率和相位的跟踪，响应速度快，稳定性好。并网逆变器控制原理如图2所示。

通过采样获得电网电压信号，由PLL检测得到系统同步信号，并网电流经由dq变换与幅值给定进行比较，比较后的误差通过PI调节器然后经过dq/abc变换，通过SVPWM调制得到各个开关管的触发信号。

2 锁相环的组成及实现方法

由于电网的频率是在一定范围内波动的，其频率一般在50 Hz±0.5左右变化。因此，在并网发电系统中电能要输送给电网，其频率时刻要与电网额频率保持同步。潮流能发电系统并网运行时，为保证逆变器并网成功，要求逆变器输出电流与电网电压频率和相位一致，输出单位功率因数。锁相环就是通过对电网电压的监测来保证逆变器输出电流的频率和相位与电网电压保持一致的闭环控制系统。

锁相环一般由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器及分频器组成，结构如图3所示：

其基本工作原理为：鉴相器将电网电压和控制系统内部同步信号的相位差信号转变成电压,经过环路滤波器滤波后，形成压控振荡器的控制电压，然后通过压控振荡器把输出振荡频率拉向环路输入信号频率，从而改变系统内部同步信号的频率和相位，使之与电网电压一致。

锁相环的一般实现方法有：1)通过硬件电路检测电网电压过零点求得电网电压同步信号，然后用硬件或软件实现锁相。2)采用基于dq变换的同步旋转坐标下检测角频率和相位信息。对于三相电路，采用同步旋转坐标变换的方法的锁相环具有更好的动态响应速度和稳态性能。

3 并网逆变器数学模型及锁相环实现

3.1 基于dq变换的并网逆变器数学模型

逆变器正常工作时处于单位功率因数下运行，并网输出为与电网电压同频同相的正弦电流。其三相回路瞬时值方程为：

在该数学模型下，虽然逆变器各物理概念清晰、直观，但因为其变量都为时变交流量，不利于控制系统的设计，因此可以通过坐标变换将其从abc三相静止坐标系转换到dq同步旋转坐标系下。

首相，从abc三相静止坐标系到αβ两相静止坐标系变换矩阵为

从αβ坐标系到dq同步旋转坐标系下的变换矩阵为

通过坐标变换，整理后可得到并网逆变器在同步旋转坐标系下的数学模型：

由上式可以看出，只要分别控制d、q的电流就能控制并网的有功和无功分量。

3.2 锁相环的原理及结构

基于dq变换的三相锁相环基本原理是将三相输入电压ua、ub、uc转换到静止的αβ坐标系下，然后由静止的αβ坐标系转换到同步旋转的dq坐标系下。

其中α轴与三相静止坐标系的a轴相重合,当静止的αβ坐标系开始以一定速度旋转时就形成了旋转dq坐标系，此时，d轴与a轴夹角为θ，如图4所示。

锁相环的控制结构如图5所示。

首先通过坐标变换，得到dq坐标系下q轴分量uq，将参考零值与uq进行比较得到误差信号，将误差信号输入 PI节器，然后将输出值加上初始工频角频率 2πf，通过一个积分环节，输出的即为锁相角θ。

4 建模与仿真

建立基于 MATLAB-simulink的锁相环仿真模型及系统整体仿真模型。仿真模型如图6所示。

仿真模型中，三相电网电压由三个互差2/3π的正弦波发生器构成，从abc三相静止坐标系到dq旋转坐标系使用simulink自带的Park变换模块，然后将参考零值与q轴输出比较，通过PI调节模块，f取电网标准频率50 Hz，通过一个积分模块，输出的即为锁相角θ，由图6中示波器Scope5显示。设定电网电压A相为工频50 Hz的正弦波，其初始相位为0，通过调节PI调节器的参数Kp、Ki获得输出相位θ，当取Kp=0.1、Ki=20的时候，仿真结果如图7所示：通过仿真波形可以看出，输出的电压波形能够很好的跟随电网电压并与其同步，该锁相环能够很好的实现锁相。