分布式可再生能源并网逆变器控制策略研究

王归新　汤大猷　陈海东　程俊翔

(三峡大学 新能源微电网湖北省协同创新中心， 湖北 宜昌　443002)



分布式可再生能源并网逆变器控制策略研究

王归新汤大猷陈海东程俊翔

(三峡大学 新能源微电网湖北省协同创新中心， 湖北 宜昌443002)

摘要：为满足分布式可再生能源并网要求，提出一种模拟同步发电机特性的并网逆变器控制策略．引入惯性与阻尼特性，建立了并网逆变器控制策略的数学模型．采用近似同步发电机励磁无功调节、有功频率下垂特性调节，实现并网逆变器在孤岛运行时维持电网电压、频率稳定，在并网运行时实时跟踪有功、无功指令，提高系统的稳定性．仿真结果证明了所提出控制策略的可行性．

关键词：分布式发电；并网逆变器；虚拟同步电机；调频调压

随着全球能源消费的不断增长，以化石燃料为主的能源供应方式使人们对能源供应的可持续性日渐关注[1]，加之在全球气候变暖、电力系统结构拓扑不断老化、能效利用率达到瓶颈以及对电能质量高要求的背景下，使得对可再生能源的开发利用、构建可持续的能源系统成为现阶段各国的共同目标与必然的发展趋势[2]．近年来，风能、太阳能等可再生能源发展迅速，国内已建立大批的风、光发电站[3]．由于风速、光照强度等具有随机性、非线性和不可控性等特征[4]，大型风光电站的并网给电力系统稳定性带来了不小的挑战．作为分布式能源与智能电网的纽带，并网逆变器的作用不言而喻，但在发挥其有益作用的同时不可忽视的是常规并网逆变器的固有缺陷．分布式发电系统的串并联谐振事故多次出现，三相不平衡、低功率因数等电能质量问题也十分突出．这些问题给配电网和微电网的安全稳定运行带来挑战[5]．

在可再生能源由集中式发电向分布式接入电网，配电网从无源配网向有源配网过渡的背景下，传统运行模式下并网逆变器所采用的集中通信、控制和调度难以达成，由此希望各分布式能源可以实现自治控制[6]．为使并网逆变器达到自治控制的目的，学术界提出一种思路是并网逆变器模拟发电机的外特性，由此产生的控制策略大致分为两类．一类是下垂控制策略，在并网逆变器闭环功率控制中加入近似发电机电压和频率特性．这种控制策略在一定程度上提高了并网逆变器的性能，但由于此策略只是对发电机下垂外特性的一种仿效，没有真正意义上的对系统的阻尼作用，使设计不佳的下垂系数对系统稳定性影响很大[7]．另一类控制策略是虚拟同步发电机控制技术，在这类控制策略中加入了发电机机械运动方程，使变换器的惯性与阻尼概念构成明确的物理解释，为系统稳定性提供支撑[8]．本文基于虚拟同步电机控制策略，建立了分布式可再生能源并网逆变器的控制策略数学模型，包含虚拟调速、励磁系统控制器，可实现分布式能源孤网并网运行．

1并网逆变器数学模型

1.1虚拟同步发电机数学模型

本文从系统分析和控制器设计的角度出发，建立无源动态系统同步电机模型．采用隐极机模型故定子电感参数为常量，设定子绕组磁极对数为1对，不考虑涡流效应且铁芯中没有磁路饱和现象[9]．虽然阻尼绕组有助于同步电机的速度偏差调节以及保持与电网的同步，但在简化模型中其效果需进一步验证，故在此忽略．

1.1.1电气模型

如图1所示，励磁绕组与3个完全相同的定子绕组分别固定在沟槽中，气隙分布均匀．

图1　三相同步电机简化模型

定子绕组可用一个集中线圈等效代替，包含自感L与互感-M，其中M>0且通常取值为0.5L，负号由相位相差2π/3产生；励磁绕组可视为一个包含自感Lf的集中线圈．互感的值随励磁线圈与定子线圈间转角θ的值变化，如式(1)，其中Mf>0．

绕组磁链方程为

式中ia、ib和ic为三相定子电流，if为转子励磁电流．

在无中性线接线方式下，ia+ib+ic=0．则定子磁链方程可表示为

式中，Ls=L+M．

励磁磁链方程可表示为

式中，Mf[I，cosθ]为电枢反映方程，在三相电流为对称交流量时保持连续．

由式(3)可得三相端电压U=[uaubuc]T为

式中，Rs为定子绕组等效电阻；E=[eaebec]T为励磁电势，主要受转子运动的影响．

其公式为

式中，ω为同步发电机电气角速度，ω0为电网同步角速度，θ=∫ωdt．

由式(4)可得励磁电压为

式中，Rf为转子绕组等效电阻．在模型的实际求解中，为方便计算将励磁电压用励磁电流代替作为一个可调节连续型变量作为输入量．当用一个恰当的直流源等效代替励磁绕组端电压且if连续时，式(6)可简化为

虚拟同步电机的总机械方程可表示为

其中，J为同步发电机转动惯量，Tm和Te为同步发电机机械转矩与电磁转矩，D为阻尼系数．

同步电机电磁转矩可由电磁功率P求得

带入式(3)、(4)得

在Φ，Φf连续时，无反电动势，电磁转矩可表示为

而在I和if连续时，由逆矩阵求导公式可知

将式(6)带入式(9)可得

一个基本DC/AC并网逆变器拓扑如图2所示，包括直流侧能量吸收回路，三桥臂PWM控制整流桥，LC滤波电路，电网接入侧阻抗(由串联的等效电感与电阻组成)经断路器与大电网相连．

图2　并网逆变器拓扑

将直流吸收回路视为原动机做功及电机惯性环节(与电网频率的导数成正比)的等效，三桥臂中点处电压等效为发电机暂态电势，滤波电感等效为定子绕组阻抗，滤波电容处电压等效为机端电压，电网侧阻抗并不是逆变器的一部分，但其有助于逆变器进行功率与同步调整．基于此思想进行控制的并网逆变器具有了惯性与阻尼特性，有助于提高分布式可再生能源的并网电能质量，提高电网稳定性．

2控制方案

2.1虚拟调速与有功控制

借鉴同步发电机通过调节原动机输入机械功率来调节有功输出，在并网逆变器有功调节环节中引入对虚拟机械转矩Tm的控制．为保证分布式电源的独立运行、保持频率稳定，加入调频环节．Tm由稳态机械转矩Tm0，频率调节转矩Tmf组成．

式中，Pset为有功参考值，f为模拟机端电压的频率，fset为电网频率，Kf为调频系数．

2.2虚拟励磁与无功控制

同步发电机的无功调节依赖于励磁电流的变化，依据此原理，在逆变器控制中通过调节虚拟电势的变化来进行输出电压的整定与无功功率调节．虚拟电势E由3部分组成．第1部分为虚拟发电机空载电势E0，等效为分布式电源在脱网空载运行时的机端电压；第2部分为保证独立运行时电压稳定，等效调压环节的调压输出量EU；第3部分为无功功率调节量EQ．

E=E0+EU+EQ

玉米需水曲线与单株曲线相一致，玉米苗期耗水较少，播节期需水激增，是玉米水分临界期，这时如遇干旱，减产严重。乳熟期仍需较多水分，此时缺水会降低粒重，蜡熟期需水较少，干燥天气有利于成熟。玉米灌溉应在玉米8-10小时，此时正是雌雄穗分化期，利于结大穗、夺高产。

式中，U为模拟机端电压，Uset为机端电压给定值，KQ为无功调节系数；Q为并网逆变器瞬时输出无功值，Qset为无功功率给定值，KU为调压系数．

综上可得系统总体控制框图见图3．

图3　系统控制框图

2.3参数整定

定义并网逆变器输出有功、无功功率分别为P和Q．则

无功功率电势滞后于有功功率电势90°，故可表示为

许婧基于虚拟同步电机控制策略，并网逆变器在实现功率实时调节的基础上能对频率、电压进行稳定性控制，保证独立运行时电网电能质量，为脱网、并网切换过程中减缓震荡过程提供支持以提高系统稳定性[10]．

同步电机的转动惯量J与其实际体积有关，通常用惯性时间常数H表示：

J=2H

惯性时间常数为电机转子轴上增加净转矩为额定转矩时，机组由静止到额定转速所需要的时间[11-12]．水电机组的惯性时间常数通常在1～3s左右，火电机组的惯性时间常数通常在7～8s左右．虚拟时间常数无实际物理尺寸限制，取值范围更宽，一般取值需与并网逆变器直流侧电源响应时间耦合．

3仿真分析

为验证所提出控制策略的合理性与可行性，在Matlab/Simulink环境下对并网逆变器进行控制仿真研究．模拟分布式能源接入电网，进行电网参数整定．直流侧电压为750V，网侧线电压500V，脉宽调制载波频率为2kHz，样本采样周期为2μs，仿真时间1s．具体参数见表1．

表1　系统参数

图4　仿真模型

仿真模型如图4所示，在仿真初始时刻系统带3 kW有功负荷启动，在0.2 s时增加3 kW有功负荷，系统运行至0.5 s时增加4 kVar无功负荷，无功负荷由0阶跃至4 kVar，最终在0.8 s时切除所有负荷．上述负荷变化条件不变，基于虚拟同步电机控制的并网逆变器输出功率波形如图5所示，系统频率、电压波形如图7所示；常规并网逆变器输出功率波形如图6所示．对比图5与图6可知，常规并网逆变器在接入负载瞬间产生非常大的有功尖冲，在0.5 s增加无功负荷时，有功功率由于缺乏有效控制，造成有功坠落，无法按要求向电网输送功率；本文所设计并网逆变器功率调节功能很好地完成了对功率指令的跟踪，输出功率出现了同步发电机所具有的震荡特性，能够自适应调节有功、无功功率的输出，满足并网逆变器控制要求．

图5　模拟同步电机控制逆变器PQ输出波形

图6　频率电压波形

由图7可知，在控制策略上采用模拟同步电机的特性，使得电压、频率波形波动保持在电网要求范围之内，能够满足分布式能源在孤网运行模式下维持电网系统稳定性要求．

图7　常规并网逆变器PQ输出波形

4结论

本文提出一种模拟同步发电机惯性、阻尼环节的分布式能源并网逆变器控制策略．建立起完整数学模型，借鉴同步电机调压、调频机制完成逆变器控制策略的制定，经过仿真验证了所提出策略的合理性．此策略使并网逆变器的惯性、阻尼得到提高，可增强分布式可再生能源应对系统随机震荡的能力．其设计参数虽借鉴于同步电机但由于其不受制造技术限制，参数设计范围更广，调节域更大；但由此也使参数整定难度增加，容易出现调节失常；同时受电力电子器件耐压、反响恢复时间等参数的限制，逆变器控制参数与电路拓扑还有待于进一步优化，以提高微网的性能．

参考文献：

[1]江泽民．对中国能源问题的思考[J]．上海交通大学学报，2008，42(3)：345-359．

[2]丁明，张颖媛，茆美琴．微网研究中的关键技术[J]．电网技术，2009，33(11)：6-11．

[3]Xingang Z， Jieyu W， Xiaomeng L， et al. China's Wind， Biomass and Solar Power Generation： What the Situation Tells us?[J]． Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2012， 16(8)： 6173-6182．

[4]Kavasseri R G， Nagarajan R. A Multifractal Description of Wind Speed Records[J]． Chaos， Solitons & Fractals， 2005， 24(1)： 165-173．

[5]Enslin J H R， Heskes P J M. Harmonic Interaction Between a Large Number of Distributed Power Inverters and the Distribution Network[J]． Power Electronics， IEEE Transactions on， 2004， 19(6)： 1586-1593．

[6]曾正，赵荣祥，汤胜清，等．可再生能源分散接入用先进并网逆变器研究综述[J]．中国电机工程学报，2013，33(24)：1-12．

[7]肖朝霞，王成山，王守相．含多微型电源的微网小信号稳定性分析[J]．电力系统自动化，2009，33(6)：81-85．

[8]Zhong Q C， Weiss G. Synchronverters： Inverters that Mimic Synchronous Generators[J]． Industrial Electronics， IEEE Transactions on， 2011， 58(4)：1259-1267．

[9]辜承林，陈乔夫.电机学[M]．北京：清华大学出版社，2006．

[10] 纪明伟，张兴，杨淑英.基于电压源逆变器的微电网控制策略[J]．合肥工业大学学报：自然科学版，2009，32(11)：1678-1682．

[11] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，2005．

[12] 夏道止.电力系统分析[M]．北京：中国电力出版社，2010．

[责任编辑张莉]

Study of Control Strategy for Grid Connected Inverter Applied

to Distributed Renewable Energy Source

Wang GuixinTang DayouChen HaidongCheng Junxiang

(Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for New Energy Microgrid, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractIn order to satisfy the demand of distributed renewable energy sources to paralleling in the grid, the idea of operating an inverter to simulate a synchronous generator (SG) is motivated and developed. The mathematical model of grid-connected inverter has already established, including characteristics of inertia and damping. The real and reactive power delivered by grid-connected inverter operated as SG can use the virtual toque and virtue frequency regulator. In island mode, the inverter will retain voltage and frequency stability and on the other hand in grid-tied mode to realize the power tracking. According to this control tactics, it is improved that the renewable power generation system is stable. The simulation results prove the feasibility of this method.

Keywordsdistributed generation；grid-connected inverter；virtual synchronous generator； voltage and frequency regulation

基金项目：人才科研启动基金(KJ2014B016)

中图分类号：TM464

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2015)06-0075-05

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.016

通信作者：王归新(1961-)，男，副教授，主要研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用，新能源微电网的运行与控制．E-mail：446992136@qq.com

收稿日期：2015-09-25 2015-06-27