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摘要：现阶段，我国经济的高速发展，电力工程的发展也有了很大的提高。针对电力系统电力电子化的发展趋势，该文基于轴压调节控制型并网逆变器模型，在直流母线电压稳定为前提的条件下，对入网电压控制型逆变器设计实现一种PQ控制策略，并对其进行小信号建模与控制器参数分析。该PQ控制策略结合下垂控制特性，使逆变器基本具备了一次调压调频特性，可以参与到微网电压频率调节，对电网起到一定的支撑作用，实现分布式发电与电力系统之间的优化运行。同时通过合理的参数设计使逆变器的输出阻抗只与控制参数和电网侧滤波电感L2有关，且控制输出电抗X远大于输出电阻R，实现有功与无功功率环的解耦，完成逆变器与电网系统之间的功率交互。最后，通过理论分析、仿真和实验验证所提控制策略的有效性与可行性。
关键词：电压并网逆变器；功率控制；设计
引言
作为可再生能源和电网相连的重要纽带，分布式发电（distributedgenerator，DG）系统通过电力电子变换器接入大电网不得不面对维持电网安全可靠运行的挑战。微电网作为一种集成了多种可再生能源、储能装置以及负荷的局部供电系统，不仅可以孤岛运行也可以并网运行，以提供相应的功率给负载[1-2]。传统的并网逆变器不具备同步电机随着负荷的波动自动进行调压调相的特性。为了保证可再生能源的供电质量，电网需要相关昂贵的辅助措施来抑制大量的干扰[3-4]。只有进一步提高并网逆变器运行的灵活性和经济性，才能实现其输出功率可控同时改善电能质量的目的。目前应用较多的电流控制型逆变器[5-6]，这种电流控制策略在并网模式下通过锁相环跟踪电网电压控制并网电流与电网电压同频同相，同时可以直接通过调节并网电流的大小来控制并网有功功率，具有响应迅速、功率因数高等优势。但由于其输出为电流源的特性，不能直接供给普通负载使用，存在供电模式切换过程的暂态冲击与震荡问题。与之相比，电压控制型逆变器直接控制并网逆变器输出为电压源的特性。通过对输出电压相位和幅值的控制来调节并网有功和无功功率，可独立对普通用户供电，不存在供电模式切换困扰，具有配置方便、可独立组网等方面的优势，其适用范围比电流控制型将更为广泛。
1电压控制型并网逆变器控制策略简述
一种基于轴压调节的空载电压控制型逆变器结构。在此控制结构基础上，加入功率控制环与等效电网结构研究逆变器与电网系统之间的功率交互问题。该系统包含功率控制环、锁相环、轴压调节器、电压控制环和电流控制环。其中：轴压调节器中V*1为调压轴参考值，其功能是用来调节等效电压源的电压幅值；V*2为调频轴参考值，其功能是用来调节等效电压源与逆变器输出电压之间的功角（并网运行时频率自动跟踪电网频率）。vfil 为逆变器输出电压；?为 PLL 输出的相角；k1，k2 为轴压调节系数。电压控制环由 3 部分组成，分别为电压反馈环、逆变器输出电流前馈环和电容电流补偿环。其中：vco为电压参考值；?和 Ti 为 PI 控制器参数；?为电容电流补偿系数；?为并网电流前馈系数；j（s）为生成的目标电流。电流控制环采用常规的 PI 控制器和 SPWM 脉冲调制方式，其目的是为了跟踪电流 i1；kPWM 为调制增益。
2控制方法
2.1电网电压前馈控制
上节叙述的电流闭环控制策略，主要是通过增加环路增益的方式来抑制谐波分量和不平衡电流分量。较高的环路增益，势必会降低系统的动态性能。为了对电网电压扰动起到更为直接有效的抑制作用，引入电网电压前馈控制。电网电压前馈控制策略是直接对扰动源进行采样，并送入到逆变器的调制波中对扰动源实现补偿的一种控制方法，该方法可以有效改善系统对扰动的响应，且不改变系统的环路增益。当引入电压前馈后，电网电流与电网电压无关，系统可以看作单入单出系统，可以实现独立控制。同时，前馈控制的引入可以有效增大系统的输出阻抗，减小电网电压背景谐波对并网电流的影响。
2.2并网同步控制策略的研究
在逆变器并网系统中，快速、准确的相位检测是有效控制的前提。理想情况下电网电压仅含正序分量，因此，理想电网电压下同步相位检测的实质就是对电网正序电压同步相位的提取，采用传统的锁相环技术就能快速准确地跟踪电网电压相位。然而，实际中电网电压不可能时常处于理想状态下，为了能在电网电压非理想情况下获得准确的相位信息，就必须对传统锁相环进行改进。本文在传统锁相环的基础上引入前置滤波器技术，能够有效解决传统锁相环在电网电压畸变和不对称情况下失锁的问题，同时，其动态性能和谐波抑制方面也有着很大的改善。前置滤波器用于三相电网电压的滤波及提取基波正序分量，并将基波正序分量送入锁相环信号输入端，这样能够有效减小负序分量和谐波成分对锁相环的影响。
2.3PQ控制设计及小信号建模与控制器参数分析
为了实现VCI友好地并网，同时参与电网频率和电压的调节。其中：Pset和Qset为VCI目标输出功率；f为逆变器输出频率；V*fil和f*fil为逆变器输出电压和频率参考值，文中设为200V和50Hz；ka1、ka2、kb1和kb2为PI控制器参数；ka3和kb3分别为Q-V和P-f的下垂系数；?V1为调压轴补偿量；?V2为调频轴补偿量；V1n和V2n为参考轴压，文中其值分别设为200V和当PCC点电压和频率为额定值时，VCI能够精确的输出参考功率。当电网频率不为额定值时，VCI通过P-f下垂机制，经过PI调节器调节输出调频轴压补偿量?V2，结合调频轴参考轴压V2n，生成调频轴给定值V*2，再送入轴压调节器，调节功角?，进而增加或减少有功功率输出。当PCC电压不为额定值时，VCI通过Q-V下垂机制，经过PI调节器调节输出调压轴压补偿量?V1，结合调压轴参考轴压V1n，生成调压轴给定值V*1，再送入轴压调节器，调节等效电压源的幅值，相应增加或减少无功功率输出。综上，VCI可通过下垂机制来动态调节二轴轴压的参考值，相应的改变电压幅值与功角，调节系统的有功与无功输出，给电网提供一定的电压和频率支撑。其中下垂系数 ka3 和 kb3 为：
结语
针对分布式能源高渗透率下逆变器与电网系统之间的功率传输问题，本文基于轴压调节控制型并网逆变器设计实现了一种功率PQ控制策略。该PQ控制策略结合了下垂机制，通过补偿调压轴与调频轴的参考值来改变送入轴压调节器的二轴给定值，起到调节等效电压源电压幅值与功角的目的，进而实现逆变器与电网系统之间的功率交互。建立并分析了功率环的小信号模型，对其进行了控制器参数设计与稳定性分析，使整个系统具有良好的控制性能。同时通过合理的参数设计使逆变器的有功与无功功率环得以解耦，实现了逆变器与电网系统之间的精准功率控制。本文所提PQ控制策略使入网电压控制型逆变器基本具备了一次调压调频特性，可参与到微网电压频率调节，对电网起到一定的支撑作用，同时也为增强电力系统包括电压频率稳定在内的安全稳定运行目标提供了一种有效的技术手段。最后，通过仿真和实验验证了本文提出的PQ控制策略的有效性与可行性。
参考文献：
[1]石荣亮，张兴，刘芳，等．不平衡与非线性混合负载下的虚拟同步发电机控制策略[J]．中国电机工程学报，2016，36（22）：6086-6095．
[2]郭慧，汪飞，张笠君，等．基于能量路由器的智能型分布式能源网络技术[J]．中国电机工程学报，2016，36（12）：3315-3324．
[3]王成山，武震，李鹏．微电网关键技术研究[J]．电工技术学报，2014，29（2）：1-12．
论文作者:赵娜
论文发表刊物:《河南电力》2018年8期
论文发表时间:2018/10/16
标签：电压论文; 电网论文; 逆变器论文; 电流论文; 功率论文; 系统论文; 策略论文; 《河南电力》2018年8期论文;