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        光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器瞬時(shí)值控制方案的仿真研究

        2016-09-06 09:35:51王青林陳宏濤遼寧省交通高等??茖W(xué)校沈陽110122
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年10期
        關(guān)鍵詞:閉環(huán)控制電感電容

        王青林,陳宏濤(遼寧省交通高等專科學(xué)校,沈陽 110122)

        光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器瞬時(shí)值控制方案的仿真研究

        王青林,陳宏濤
        (遼寧省交通高等??茖W(xué)校,沈陽110122)

        光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器輸出波形控制是關(guān)鍵技術(shù),本文介紹了兩種瞬時(shí)值控制的電壓電流雙閉環(huán)SPWM逆變器方案,一種基于電感電流反饋,另一種基于電容電流反饋。對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了較詳細(xì)的理論分析,并建立了數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上利用MATLAB/SIMULINK搭建了該系統(tǒng)的仿真模型,并在該仿真模型上進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果驗(yàn)證了采用基于電容電流反饋的雙環(huán)瞬時(shí)值控制的SPWM逆變器具有波形正弦度好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、控制精度高和適應(yīng)負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

        電力電子;逆變器;瞬時(shí)值控制;電容電流反饋;輸出電壓環(huán)

        隨著傳統(tǒng)的石化能源存量日益減少和人類渴求低碳環(huán)保的生存環(huán)境,可再生能源的研究和使用提上日程,如風(fēng)能、太陽能等資源。具有存量大、清潔等特點(diǎn)的太陽能備受關(guān)注,成為最具有潛力應(yīng)用的新能源之一。光伏發(fā)電具有免維護(hù)、無噪聲等優(yōu)點(diǎn),但光伏發(fā)電系統(tǒng)存在一些不足,最突出的就是發(fā)電效率低(9%~16%),且光伏電池的輸出功率與光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等因素有關(guān)[1]。為適應(yīng)各種不同性質(zhì)負(fù)載的要求和與電網(wǎng)的同步,光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器輸出波形要求是同頻、同幅值、同相位的波形,當(dāng)前常用的有電壓瞬時(shí)值反饋、無差拍控制[2]和重復(fù)控制[3]等方案,但都是單閉環(huán)控制技術(shù)。因此這些控制方案只能解決一部分問題,實(shí)際應(yīng)用中使得系統(tǒng)有更好的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能,一般采用雙閉環(huán)瞬時(shí)值控制方案,即采用電感電流反饋的雙閉環(huán)控制和采用電容電流反饋的雙閉環(huán)控制[4]。采用電感電流反饋的雙閉環(huán)控制具有較強(qiáng)的抗短路能力,負(fù)載適應(yīng)能力差,調(diào)節(jié)特性差;而電容電流反饋的雙閉環(huán)控制負(fù)載匹配性強(qiáng),控制精度高。

        1 單相逆變器狀態(tài)模型

        本文采用一種具有固定開關(guān)頻率的瞬時(shí)值控制技術(shù),其主要控制思路是:電壓基準(zhǔn)值與輸出反饋電壓經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器(PI)處理后作為控制電流的基準(zhǔn),電流基準(zhǔn)和反饋電流的差經(jīng)過比例放大后與三角載波交截,導(dǎo)出正弦脈寬調(diào)制(SPWM)信號(hào)來控制功率器件的關(guān)斷與導(dǎo)通,以確保輸出電壓波形穩(wěn)定性。

        圖1是雙閉環(huán)瞬時(shí)值控制SPWM逆變器原理框圖。其中,取至電感電流iL就是電感電流內(nèi)環(huán)反饋;

        取至電容電流iC就是電容電流內(nèi)環(huán)反饋。

        根據(jù)分析可知,對(duì)SPWM逆變器進(jìn)行線性化處理后得到如圖2所示的等效模型。

        2 系統(tǒng)性能分析

        由于電網(wǎng)中的負(fù)荷是多變的不確定的,導(dǎo)致逆變器的負(fù)載也是變動(dòng)的,這樣可以把負(fù)載電流io可看作是對(duì)電容電流環(huán)的擾動(dòng)輸入。因此在分析系統(tǒng)開環(huán)特性時(shí),io及Δud影響很小,由圖2,考慮到iL=io+iC可以得到電感電流反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)為:

        其中:A1=KikPWMKPIτPI;A0=KikPWM;

        B0=KiKvfkPWMKlf是電感電流反饋系數(shù)

        下面是采用濾波電容電流反饋的閉環(huán)傳遞函數(shù):

        其中:A1;A0;B3;B0與式(1)相同;

        Kcf是電容電流反饋系數(shù)。

        2.1穩(wěn)定性分析

        設(shè)K1f=Kcf=Kif

        對(duì)于式(1)、(2)式根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)可知電容電流反饋在穩(wěn)定方面較電感電流反饋要求高點(diǎn)。

        2.2系統(tǒng)外特性分析

        設(shè)逆變器帶負(fù)載R時(shí)的靜態(tài)誤差定義為:

        由上式可知δ越大系統(tǒng)外特性越軟,即τPI越大濾波電容C越大,則Kδ越小δ越大外特性越軟,因此采用電容電流反饋時(shí)的外特性比采用電感電流反饋的硬。

        2.3電流誤差變化率與開關(guān)頻率的分析

        電流跟蹤速度是由電流誤差變化率表征,鑒于固定開關(guān)頻率的電流瞬時(shí)值控制,由電流誤差作為調(diào)制波與三角載波進(jìn)行交截,并且要求三角波斜率大于電流誤差變化率,否則就會(huì)發(fā)生重復(fù)交截現(xiàn)象,這樣開關(guān)失控因此必須避免重復(fù)交截現(xiàn)象。對(duì)于電容電流反饋而言則有:當(dāng)Ki過大時(shí)容易發(fā)生多次相交現(xiàn)象,故Ki不能取得過大。

        電容電流只反映輸出電壓的變化,其上的電流是正弦波,能有效減小諧波誤差環(huán)流,那么采用電容電流反饋的系統(tǒng)具有更好的負(fù)載適應(yīng)能力。

        3 仿真驗(yàn)證

        本文利用MATLAB/SIMULIK軟件工具建立系統(tǒng)仿真模型,仿真用參數(shù):開關(guān)頻率:fs=10kHz,UDC=400V,Kvf=0.05,Kif=0.15,濾波電感L=1.5mH,濾波電容C=30μF。在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置一樣的情況下,采用電感電流和電容電流做為反饋量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真波形如下:圖3是電感電流反饋控制系統(tǒng)突加阻性負(fù)載(t=0.02s)電壓電流波形圖,圖4是電感電流反饋控制系統(tǒng)帶非線性負(fù)載的仿真波形圖,圖5是電容電流反饋控制系統(tǒng)突加阻性負(fù)載(t=0.02s)電壓電流仿真波形圖,圖6是電容電流反饋控制系統(tǒng)帶非線性類負(fù)載仿真波形。

        通過上面的仿真波形,可以從圖3與圖5的比較可以看出同樣的系統(tǒng)參數(shù)情況下,采用電容電流反饋控制系統(tǒng)的外特性硬,從圖4與圖6的比較可以得出在負(fù)載為非線性整流負(fù)載時(shí)采用電感電流反饋控制時(shí)負(fù)載電壓電流畸變很大電壓降落也較大,而采用電容電流反饋控制時(shí)電壓波形正弦度好,降落小負(fù)載電流畸變也較采用電感電流反饋控制小。

        4 結(jié)論

        本文通過選取反饋量不同的瞬時(shí)值控制中研究給出了兩種控制方案的開關(guān)頻率,穩(wěn)定性外特性非線性負(fù)載分析的定量關(guān)系式得出電容電流反饋外特性硬,非線性負(fù)載能力強(qiáng)是綜合性能較優(yōu)的瞬時(shí)值控制方案,由于電容電流反饋技術(shù)方案能夠反映負(fù)載電壓的變化率,所以電容電流反饋技術(shù)方案具有更好的適應(yīng)非線性負(fù)載的能力,是綜合性能較優(yōu)的電流瞬時(shí)值控制方案。

        [1]高厚磊,田佳等.能源開發(fā)新技術(shù)—分布式發(fā)電[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào):工程版,2009,39(05):107-108.

        [2]Guo W N,Duan S X,Sun X J,et al.A modified deadbeat control for single-phase voltage-source PWM inverters based on asymmetric regular sample[C].IEEE PSEC,2001(02):962-967.

        [3]孫雪娟,王荊江,彭力等.基于內(nèi)模原理的三相電壓源逆變?cè)吹牟ㄐ慰刂萍夹g(shù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003,23(07):67-70.

        [4]Wu H Y,Dong L,Zhang D H,et.al.A current-mode control technique with instantaneous inductor-current feedback for UPS inverter[C].IEEE-APEC’99,1999:951-957.

        10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.148

        王青林(1975-),男,山西大同人,碩士,主要從事電力傳動(dòng)方面的應(yīng)用。

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