付春鵬，朱永強

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京102206）

1 引言

并網逆變器一般用于新能源以及儲能系統(tǒng)和電網的連接，其工作性能直接關系到整個電網系統(tǒng)[1-2]。提高系統(tǒng)對電網電壓跌落的抗干擾能力是并網逆變器的一個重要的課題[3]。文獻[4]提出的電流前饋控制策略可以對電流擾動進行有效抑制，但是并不能有效的對功率擾動進行平抑。文獻[5]采用犧牲功率因數(shù)的方法來實現(xiàn)系統(tǒng)抗擾動能力。文獻[6]中采用的電壓前饋控制來實現(xiàn)穩(wěn)壓和調節(jié)電流的目的，但是并不能對功率進行直接有效的調節(jié)。

本文根據逆變器的數(shù)學模型，對逆變器進行直接功率解耦，在此基礎上提出了帶比例系數(shù)的 功率前饋控制策略。最后通過在EMTDC/PSCAD中搭建仿真模型，對所提的功率前饋控制策略進行了驗證，仿真結果表明該策略是正確可行的。

2 并網逆變器的數(shù)學模型

三相電壓型并網逆變器的拓撲結構如圖1所示，其中并網逆變器通過濾波電感L、線路電阻R 和電網連接。

圖1 并網逆變器主電路圖

在三相靜止abc坐標下，并網逆變器的電壓方程為

式中：ua，ub，uc為逆變器輸出電壓；ea，eb，ec為三相對稱電網電壓；ia，ib，ic為三相逆變器輸出電流。

在額定運行時，線路阻抗相對于進線電感感抗小得多，通常可以忽略。由于逆變器的交流側均為時變的交流量，不利于控制系統(tǒng)設計。為此，通常通過從三相對稱靜止（a, b, c）坐標系到以電網基波頻率同步旋轉的（d, q）坐標系的坐標變換，將三相靜止坐標系中的正弦量轉化成同步旋轉坐標系中的直流變量。對式（1）先后進行Clarke和Park 變換，可以得到三相電壓型逆變器在（d, q）同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型：

式中：ω為同步旋轉角速度，且ω=2π?0。

3 逆變器直接功率控制策略

若同步旋轉坐標系與電網電壓矢量Ε同步旋轉，且同步旋轉坐標系的d軸與電網電壓矢量Ε重合。那么，在電網電壓定向的同步旋轉坐標系中，有Ed=|E|，Eq=0。因此，系統(tǒng)的瞬時有功功率、無功功率分別為

顯然式（2）中沒有關于功率的項，為了實現(xiàn)逆變器的直接功率控制，可以對（2）式等號兩邊分別同乘以3(ed)/2/3(ed)/2，結合式（3）便得到關于功率的直接計算式為

由此得到了電壓和功率的直接關系，這就為實現(xiàn)對并網逆變器的直接功率控制打下了基礎。與此對應的控制結構如圖2所示。

圖2 直接功率控制框圖

從式（4）中可以看出，用功功率和無功功率兩者是耦合的，應用傳統(tǒng)的PI 控制器，控制效果不好，這就給控制系統(tǒng)的設計帶了不利。

3.1 并網逆變器的直接功率解耦

為了實現(xiàn)對有功功率和無功功率分別獨立控制，就需要對兩者進行解耦。對有功功率和無功功率的解耦可以對式（4）引入功率前饋解耦。解耦后的復頻域方程為

相應的功率前饋解耦控制結構如圖3所示。

圖3 功率前饋解耦控制框圖

并網逆變器直接功率控制，一般都采用級聯(lián)式的雙閉環(huán)控制策略：功率內環(huán)和電壓外環(huán)。功率內環(huán)的主要作用是對逆變器輸出功率進行直接功率控制，其中有功功率的給定值是由電壓外環(huán)的輸出決定的，而無功功率的給定值一般為0，這是為了使系統(tǒng)工作于單位功率因數(shù)，同時有利于提高系統(tǒng)的響應速度。電壓外環(huán)的主要作用是實現(xiàn)對直流電壓的穩(wěn)定控制。

3.2 功率前饋控制策略

當電網電壓發(fā)生變化時，逆變器向電網輸出的功率也會發(fā)生變化。只通過簡單的雙閉環(huán)直接功率控制，系統(tǒng)不能對電網電壓變化起到抑制和實現(xiàn)對系統(tǒng)變化狀態(tài)的快速跟蹤?？紤]到電網電壓變化造成的功率變化對系統(tǒng)來說就是一種擾動，前饋控制可以快速有效的減弱系統(tǒng)的擾動，所以可以把電網電壓造成的功率變化引入到控制系統(tǒng)，從而對電網電壓發(fā)生變化時前饋信號能快速跟蹤變化，調整逆變器輸出功率。 根據逆變器輸出功率與電壓間的關系，構建功率前饋控制環(huán)節(jié)。標準正弦波穩(wěn)態(tài)工況下，電網電壓在同步旋轉坐標d軸上的值是恒定不變的。這樣就可以用一個恒定值來代替標準正弦波的在d軸上的值。為了消除電網電壓變化造成的影響，令其中N為標準正弦波電壓在d軸上的值，則式（6）可變?yōu)椋?/p>

式（6）表明功率與電網電壓變化量有關，這就減弱了電網電壓造成的影響。式（6）中減1的目的是消除電網正常工作時的補償作用，因為電網電壓不發(fā)生變化時，就不需要功率的前饋控制。而在電網電壓發(fā)生變化時，前饋信號能夠快速跟蹤變化，并對變化產生一定補償作用，從而保證了功率能實現(xiàn)快速響應。在實際調試仿真中，如果使逆變器輸出功率偏大，電流變化會增大就會出現(xiàn)補償不足的問題。單純的調整電流補償度不會起到明顯作用，而只調節(jié)電壓同樣不會達到預期效果，如果在前饋環(huán)節(jié)增加比例系數(shù)，通過調節(jié)補償系數(shù)來實現(xiàn)對變化功率補償度的調節(jié)，最終達到預期效果。比例系數(shù)需要根據具體系統(tǒng)來確定，根據試驗取最佳補償時的系數(shù)作為比例系數(shù)。系數(shù)太小，則不能有效提高響應速度；系數(shù)太大，則有功功率和無功功率變化幅度會增大，對系統(tǒng)產生不利影響。

采用比例系數(shù)的功率前饋控制量可表示為

式中，KL為功率前饋控制的比例系數(shù)。

KL帶比例系數(shù)的功率前饋控制結構圖如圖4所示。

圖4 帶比例系數(shù)的功率前饋控制結構圖

這種算法利用功率前饋來補償抑制電網電壓擾動的影響，不僅保留了原來電壓外環(huán)和功率內環(huán)的雙閉環(huán)控制結構的優(yōu)點，而且可以快速的對功率變化進行前饋補償，有效的提高了功率的響應速度。

4 仿真驗證

為了驗證帶比例系數(shù)的功率前饋控制的工作特性，根據并網逆變器的控制結構在EMTDC/PSCAD 中搭建了帶比例系數(shù)的功率前饋控制模型。對未采用前饋控制和采用前饋控制的仿真結果進行了對比。仿真參數(shù)為：直流電壓為600 V，直流側電容為5 000 μF，線路電感為5 mH，交流側相電壓峰值為300 V。

條件：電網電壓的擾動在仿真開始后2 s 時發(fā)生，電網電壓峰值從300 V 變到340 V。仿真結果如5 圖所示。

圖5 電壓擾動發(fā)生時逆變器輸出對比圖

通過圖5a 和圖5b 的對比，可以看出在沒有加入功率前饋環(huán)節(jié)時，逆變器輸出的功率直到2.15 s 后才進入穩(wěn)定狀態(tài)，而加入功率前饋環(huán)節(jié)后，由于前饋的是功率變化量，所以對功率的變化起到了一定的抑制補償作用，使得功率在2.1 s 時就進入了穩(wěn)定狀態(tài)，提高了功率的響應速度。圖5c 和5d 中是沒有功率前饋環(huán)節(jié)和有功率前饋環(huán)節(jié)時直流側電壓的變化圖，從圖中看出，沒有功率前饋環(huán)節(jié)和有功率前饋環(huán)節(jié)時，都能實現(xiàn)直流側電壓穩(wěn)定不變，前饋環(huán)節(jié)的加入并沒有影響到直流側電壓的穩(wěn)定，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

總體上對比有功率前饋環(huán)節(jié)和沒有功率前饋環(huán)節(jié)，可以看出加入功率前饋環(huán)節(jié)的并網逆變器直接功率控制的功率波形變化明顯要快于未加入前饋環(huán)節(jié)的波形。由于前饋環(huán)節(jié)中包含了變化的電網電壓和電流兩者，所以對電網電壓的變化起到了一定的補償抑制作用，使得功率能夠快速的適應電壓的變化。從圖中還可以看到有功率前饋環(huán)節(jié)和沒有功率前饋環(huán)節(jié)，無功功率都幾乎為0，電壓和電流是同相位的，這就實現(xiàn)了系統(tǒng)的單位 功率因數(shù)運行，且前饋環(huán)節(jié)不會影響功率因數(shù)。

5 結論

本文介紹了并網逆變器系統(tǒng)的數(shù)學模型，對逆變器的直接功率解耦環(huán)節(jié)進行了詳細的分析，在傳統(tǒng)并網功率控制方法的基礎上提出了帶比例系數(shù)的功率前饋控制算法，并對其原理進行了分析。帶比例系數(shù)的功率前饋控制量包含了電網電壓變化量的信息，在電網電壓擾動時能快速的給出有功功率的參考值，通過對功率的調節(jié)，使得功率能夠快速的適應電壓的變化。最后，根據文中所提出的算法在EMTDC/PSCAD 中搭建了仿真模型，并對仿真結果進行了分析。通過仿真可知，帶比例系數(shù)的功率前饋控制算法使功率變化速度得到了提高，增強了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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