張志濤， 胡平， 袁凱

(1.長安大學 電控學院，陜西 西安 710000；2.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 電氣學院，陜西 咸陽 712000)

0 引 言

進入21世紀，隨著煤炭、石油等傳統(tǒng)能源的日益枯竭，開發(fā)分布式可再生能源已成為全世界能源規(guī)劃發(fā)展的重要方向。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的成熟,其裝機的規(guī)模不斷擴大, 對電網(wǎng)而言分布式能源的滲透率不斷提高，儲能技術(shù)的利用能夠為整個電網(wǎng)系統(tǒng)提供有效的支撐,增強電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力[1]。針對太陽能發(fā)電的間歇性和波動性問題，可以在光伏發(fā)電系統(tǒng)中配置一定規(guī)模儲能單元,提升電網(wǎng)接納新能源所發(fā)電能的能力,有利于能源的充分利用和電網(wǎng)的穩(wěn)定[2-3]。目前的分布式電源并網(wǎng)技術(shù)中有大量的電力電子器件使用，其響應(yīng)速度快、幾乎沒有轉(zhuǎn)動慣量、難以參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)[4]，無法為含分布式電源的輸配網(wǎng)提供有效的電壓和頻率支撐，缺乏一種與電網(wǎng)的同步機制[5-6]。荷蘭的VYSNC項目中，首先提出了虛擬同步發(fā)電機(virtual synchronous generator，VSG)概念，通過先進的控制策略讓并網(wǎng)逆變器模擬同步發(fā)電機的外部特性[7]，以提高電網(wǎng)電能的穩(wěn)定性，基于此技術(shù)的逆變器稱為同步逆變器。傳統(tǒng)控制方法的種種缺陷已經(jīng)不滿足分布式電源日益增大的裝機容量需求，同步發(fā)電機具有良好的調(diào)壓調(diào)頻特性，慣性比較大，若使并網(wǎng)逆變器模擬出同步發(fā)電機的外特性，對含有分布式電源的配電網(wǎng)來說穩(wěn)定性會得到很大的提高[8]。文獻[9-10]利用同步發(fā)電機的經(jīng)典數(shù)學方程進行建模，針對逆變器的性能進行調(diào)整使其具有同步發(fā)電機的調(diào)頻調(diào)功的性能，但模擬出的發(fā)電機未充分考慮慣性環(huán)節(jié)，輸出的電能穩(wěn)定性較差，同步機制受系統(tǒng)中元件影響較大，無法提供精確的同步并網(wǎng)。文獻[11-13]在二階廣義積分器的基礎(chǔ)上改進完善了PLL的模型，但在電壓失衡和發(fā)生畸變時受諧波影響動態(tài)較差。因此，本文提出了一種新的控制策略，針對現(xiàn)有的預(yù)同步算法，在VSG控制策略中引入了積分反饋環(huán)節(jié)，消除頻率靜差，增大相角補償，并進行數(shù)字仿真，驗證其良好的并離網(wǎng)控制特性。

1 傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)構(gòu)成分析

光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括由光伏電池單元、逆變器、儲能單元和控制器等[14]。光伏板通過光生伏打效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，通過前級DC/DC將匯聚的電壓升高，并在此環(huán)節(jié)實現(xiàn)最大功率點跟蹤(MPPT)；后級的DC/AC環(huán)節(jié)將光伏電池產(chǎn)生的直流電逆變成交流電經(jīng)過阻抗部分由公共連接點PCC并入電網(wǎng)；控制器是通過采集電網(wǎng)側(cè)電能信息，經(jīng)過反饋比較調(diào)節(jié)逆變器的輸出，使其特性能夠與電網(wǎng)電壓相符；能量管理模塊維持儲能出力與光伏電池出力之間的能量平衡。

圖1 光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

光伏并網(wǎng)過程中需要對兩個環(huán)節(jié)進行控制：一是輸出波形控制，二是功率點控制。波形控制要求快速，需要在一個電力電子器件的動作周期內(nèi)實現(xiàn)對目標電流的跟蹤。光伏陣列功率會隨著外部條件的變化而變化，輸出極不穩(wěn)定。當光照度和溫度固定的情況下，光伏陣列有不同等級的輸出電壓，而光伏陣列的輸出功率隨著電壓等級的變化呈拋物線形變換，在某一點處才能達到輸出功率-電壓曲線峰值。可根據(jù)瞬間電導(dǎo)變化和電導(dǎo)增量的變化來調(diào)節(jié)控制信號，調(diào)整光伏陣列的工作狀態(tài)，使其保持在最大功率點。儲能系統(tǒng)的存在可以使能量雙向流動，保障微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行。

2 同步逆變器的設(shè)計分析

虛擬同步發(fā)電機技術(shù)的本質(zhì)就是借鑒同步發(fā)電機的機械特性和電氣運行特性，調(diào)節(jié)并網(wǎng)逆變器的輸出，使得并網(wǎng)逆變器在機理上具有同步發(fā)電機的特性[15]。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的VSG結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其中儲能電池和光伏出力等效為直流電壓源Udc，V1～V6為全控型電力電子器件構(gòu)成逆變橋，其中橋臂電壓ea、eb、ec等同于同步發(fā)電機的輸出電動勢，電感L1的感抗等效于同步電抗，電容C的電壓Uca、Ucb、Ucc等效于端電壓。L2是線路中連接電感，它可以保證整個線路阻抗呈感性。則由兩相靜止變換實現(xiàn)有功無功解耦其分別為：

pe=eαiα+eβiβ

(1)

Qe=eβiα-eαiβ

(2)

式中:eα、eβ為并網(wǎng)交流側(cè)橋臂中點電壓的αβ分解量；iα、iβ為電感L1電流的αβ分解量。

圖2 VSG主電路結(jié)構(gòu)圖

同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程如下:

(3)

Pset=Tsetω≈TsetωN

(4)

Pe=Teω≈TeωN

(5)

(6)

式中:Tset為轉(zhuǎn)矩給定值；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Pset為功率給定值；Pe為電磁功率；J為轉(zhuǎn)動慣量；Dp為有功阻尼系數(shù)；ωN為額定角頻率；ω為同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子角頻率，可由轉(zhuǎn)矩公式計算得出；θ為機械角速度，由θ=pθe(p=1時)可得其在數(shù)值上等于電動勢角度。

同步發(fā)電機的定子電氣方程如下：

E0=U+IRa+jIXS

(7)

式中:E0為勵磁電動勢；U為電樞端電壓；Ra為電樞電阻；XS為同步電抗；I為電樞電流。

同步發(fā)電機中無功功率的變化與端電壓密切相關(guān)，電壓的勵磁回路通過改變勵磁電流的大小來改變其輸出電勢，其勵磁調(diào)節(jié)的計算方程為：

(8)

(9)

式中:Em為機端電勢有效值；Uref為參考電壓有效值；U0為輸出電壓有效值；UN為額定電壓有效值；Qset為無功功率給定值；Qe為同步發(fā)電機實際無功功率；Dq為無功阻尼系數(shù)；G(s)為勵磁控制器的調(diào)節(jié)器。

為了保證輸出電壓能夠無靜差地跟蹤參考電壓，G(s)中必須含有積分環(huán)節(jié)，在此選擇積分調(diào)節(jié)器進行分析，那么有G(s)=M/s，其中M為積分系數(shù)，勵磁回路慣性系數(shù)K=Dq/M，將其代入式(7)和式(8)中可得其時域表達式，

(10)

同步發(fā)電機的端電壓變化引起勵磁環(huán)節(jié)輸入?yún)?shù)的改變。綜上所述，同步逆變器的有功環(huán)和無功環(huán)輸出在外特性上擁有了和同步發(fā)電機接近的性能。根據(jù)式(1)～式(9)可以設(shè)計出同步逆變器的有功環(huán)和無功環(huán)調(diào)節(jié)框圖，如圖3所示。

圖3 預(yù)同步控制器框圖

在電壓幅值的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中，同步逆變器無功環(huán)采取的傳統(tǒng)控制策略中只有比例調(diào)節(jié)器Dq，無法實現(xiàn)及時反饋電網(wǎng)電壓狀況。可在電壓調(diào)節(jié)器中加入積分環(huán)節(jié)來反饋電壓狀態(tài)，實現(xiàn)逆變器的輸出電壓幅值追蹤電網(wǎng)電壓幅值，在一定的條件范圍內(nèi)滿足并網(wǎng)要求。

在電壓的相位調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中，可根據(jù)采集的大電網(wǎng)電壓的情況，與逆變器交流側(cè)的輸出相比較，根據(jù)其矢量圖模型，及時調(diào)節(jié)頻率調(diào)節(jié)器的中電壓的旋轉(zhuǎn)速度，使兩者的電壓重合。將公共連接點兩側(cè)的電壓相角差送入PI調(diào)節(jié)器中經(jīng)運算后得到的結(jié)果加上頻率調(diào)節(jié)器的實際輸出頻率，經(jīng)積分運算求得同步逆變器輸出電壓相位。若電網(wǎng)電壓相位超前，則在PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)使得逆變器的輸出電壓矢量旋轉(zhuǎn)速度增加，從而可以跟蹤上電網(wǎng)電壓，若電網(wǎng)電壓相位滯后于同步逆變器輸出側(cè)的，則反之調(diào)節(jié)，使兩者相位之差為接近零的某一值，則滿足并網(wǎng)條件。

由式(7)進行運算可得機端電壓，再將其作為參考值進行三相到兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換，與實際的端電壓進行比較后，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器的作用輸出到脈沖寬度調(diào)制器進行輸出作為逆變器的調(diào)制波。以上可知，基于虛擬同步發(fā)電機的預(yù)同步調(diào)節(jié)技術(shù)將同步發(fā)電的優(yōu)越性能應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器的調(diào)節(jié)，將采集的實時電網(wǎng)電壓信息傳送至控制器，和實際的電壓特性經(jīng)運算后送入PI調(diào)節(jié)器，將其輸出作為控制信號反饋至并網(wǎng)逆變器，實現(xiàn)了并網(wǎng)前同步逆變器的輸出特性與電網(wǎng)電壓特性的同步，達到了并網(wǎng)的基本條件。

3 仿真與結(jié)果分析

利用MATLAB/Simulink仿真平臺搭建了基于光伏并網(wǎng)的同步逆變器控制模型來驗證該策略的可靠性。仿真系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如下：光伏電池在光照強度S為1 000 W/m2，溫度T為25 ℃的環(huán)境下，輸出的最大有功功率P=10 kW，無功功率Q=0 var；蓄電池容量為12 kW·h，額定電壓為700 V；系統(tǒng)中負荷P=2 kW，Q=0 var；微電網(wǎng)額定頻率為50 Hz，額定電壓為380 V。濾波電感L1為1.65 mH，濾波電容C1為12 μF，工頻fN為50 Hz，額定有功功率PN為10 kW，額定無功功率QN為0 var，定子電樞電阻Ra為1 Ω，電樞電感L2為0.5 mH，運用本文的并網(wǎng)控制方法，在離網(wǎng)到并網(wǎng)過程中仿真結(jié)果如下。微電網(wǎng)系統(tǒng)在孤網(wǎng)狀態(tài)下穩(wěn)定運行，在2 s時啟動并網(wǎng)進程，預(yù)同步并網(wǎng)控制環(huán)節(jié)開始工作，整個并網(wǎng)過程中同步逆變器輸出側(cè)的電動勢、頻率、角頻率以及功率變化如圖4所示。

圖4 并網(wǎng)運行特性圖

由圖4(a)可知，在并網(wǎng)過程中電壓出現(xiàn)了一定的波動，為了滿足并網(wǎng)的要求，同步逆變器根據(jù)電網(wǎng)情況調(diào)整輸出。從圖4(b)、圖4(c)可以看出，在并網(wǎng)前逆變器交流側(cè)電壓相位滯后于電網(wǎng)電壓，為了達到并網(wǎng)條件，儲能系統(tǒng)的輸出功率增大，輸出電壓矢量旋轉(zhuǎn)速度增加，追蹤上電網(wǎng)電壓相位，并網(wǎng)后電壓頻率趨于穩(wěn)定。從圖4(d)輸出的有功和無功變化可以看出，在并網(wǎng)過程中VSG算法中的調(diào)節(jié)器為并網(wǎng)過程提供了很好的阻尼慣性。

由以上仿真結(jié)果可知，所研究的并網(wǎng)前實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器輸出電壓特性追蹤電網(wǎng)電壓，在外加控制器的控制調(diào)節(jié)下，使并網(wǎng)過程中對大電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊電流降低，實現(xiàn)了分布式電源的安全可靠并網(wǎng)。

4 結(jié)束語

本文所采用的并網(wǎng)逆變器預(yù)先與電網(wǎng)電壓特性比較，經(jīng)調(diào)節(jié)器作用后改變逆變器的輸出特性，以達到同步并網(wǎng)的目的，基本上能夠滿足電網(wǎng)側(cè)與并網(wǎng)逆變器側(cè)輸出的電壓特性保持一致。在并網(wǎng)前采集電網(wǎng)電壓參數(shù)信息，在虛擬同步發(fā)電機的功頻和勵磁控制器的作用下，通過預(yù)同步控制器的比較運算對同步逆變器是輸出側(cè)的電壓特性進行調(diào)節(jié)，使光伏單元和儲能系統(tǒng)的輸出滿足并網(wǎng)要求。傳統(tǒng)的同步發(fā)電機在制造工藝上可以完美地進行限制,使其按照預(yù)期的工況運行，但同步逆變器中的受元件性各方面的影像因素比較多，系統(tǒng)中主電路參數(shù)和控制器參數(shù)的設(shè)計比較靈活,為使電壓特性調(diào)節(jié)變化更快速、更合理，需要不斷地進行參數(shù)的優(yōu)化使整個系統(tǒng)處于比較理想的狀態(tài)。