張志偉，吳文進

（安慶師范大學(xué)物理與電氣工程學(xué)院，安徽安慶246133）

為了有效地解決煤炭、石油等化石能源消耗量增加帶來的環(huán)境污染、能源供應(yīng)不足等問題。太陽能、風(fēng)能等可再生能源技術(shù)得到了較快的發(fā)展并開始大規(guī)模應(yīng)用[1]。截至2018年底，全國風(fēng)電、光伏裝機達3.6億千瓦，占全部裝機比例近20%。風(fēng)電、光伏全年發(fā)電量6 000億千瓦時，占全部發(fā)電量近9%。2017年投產(chǎn)的風(fēng)電、光伏電站平均建設(shè)成本比2012年分別降低了20%和45%[2]。在可再生能源技術(shù)發(fā)展過程中，分布式發(fā)電裝機容量占比越來越高。與傳統(tǒng)的集中式發(fā)電系統(tǒng)相比，分布式發(fā)電系統(tǒng)能夠提高可再生能源的利用率和供電的可靠性，有效減小電能的傳輸損耗，改善電力系統(tǒng)的效率[3-4]。交流微網(wǎng)作為有效消納太陽能、風(fēng)能等分布式可再生能源、促進分布式能源安全可靠運行并實現(xiàn)區(qū)域能量自治供需平衡的關(guān)鍵解決方案，目前已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。在交流微網(wǎng)中，逆變器作為分布式電源的輸出接口裝置，是確保交流微網(wǎng)穩(wěn)定運行的重要環(huán)節(jié)。本文分析了微網(wǎng)單逆變器在離網(wǎng)狀態(tài)下的控制策略，并建立了其受控源等效電路數(shù)學(xué)模型，基于模型分析了逆變器在電壓和電流控制器參數(shù)變化的情況下其等效電壓增益的變化規(guī)律，為微網(wǎng)系統(tǒng)中的逆變器設(shè)計提供理論參考。

1 系統(tǒng)控制策略分析

交流微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)在離網(wǎng)狀態(tài)下一般都采用Pf/Qv下垂控制方法，其控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。逆變器輸出通過LCL濾波器連接到交流母線上，L1,rL1為逆變側(cè)濾波電感及其等效電阻，L2、rL2為網(wǎng)側(cè)濾波電感及其等效電阻，Lline、rline為逆變器安裝點到公共連接點之間的物理連線的等效電感及其等效電阻?？刂平Y(jié)構(gòu)中包括輸出功率計算模塊、下垂控制算法模塊、參考電壓合成模塊、電壓控制環(huán)模塊、電流控制環(huán)模塊和矢量控制模塊。逆變器輸出端電壓uoabc和電流ioabc被檢測后由功率計算模塊計算逆變器輸出的有功功率和無功功率，再由下垂控制算法模塊和參考電壓合成模塊根據(jù)計算的有功功率及其參考值和無功功率及其參考值合成參考電壓，參考電壓值為電壓控制環(huán)模塊的輸入，電流控制環(huán)模塊輸出電壓調(diào)制信號，SVPWM模塊在電壓調(diào)制信號的作用下產(chǎn)生方波驅(qū)動信號，驅(qū)動逆變器中功率開關(guān)管動作進而調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓。

圖1 單逆變器下垂控制結(jié)構(gòu)框圖

為了給負(fù)載提供電壓和頻率支撐，需要對逆變器的輸出電壓進行控制。在常規(guī)的輸出電壓控制策略中，反饋的采樣電壓是輸出濾波器電容電壓，所以逆變器直接控制的是電容兩端的電壓，這樣逆變器的輸出電流在L2、rL2和Lline、rline形成的電壓降落影響了交流母線在基波域的電壓精度，降低了母線電壓的質(zhì)量，同時不利于各逆變器之間的功率分配。為了減弱網(wǎng)側(cè)濾波電感及其等效電阻L2、rL2對均流控制和交流母線電壓的不利影響，本文采用直接控制逆變器輸出端口電壓的控制策略。由于在工程上，處理d軸問題時，可以忽略q軸對其耦合的影響；在處理q軸問題時，可以忽略d軸對其耦合的影響。為后續(xù)建模簡便，本忽略d軸和q軸之間的相互耦合影響并給出相應(yīng)的電壓電流環(huán)控制框圖，如圖2所示[5-7]。

2 系統(tǒng)受控源等效電路模型

考慮到功率環(huán)中低通濾波器使得功率環(huán)的帶寬遠(yuǎn)小于電壓電流內(nèi)環(huán)的帶寬，因此在建立基于下垂控制逆變器等效電路的數(shù)學(xué)模型時，可以忽略功率環(huán)的影響，即認(rèn)為功率環(huán)輸出參考值恒定不變。對電壓電流環(huán)控制框圖進行等效變換，變換過程如圖3所示。將圖3(a)中的逆變側(cè)電流和電容電壓的反饋點前移可以得出圖3(b)，再將輸出電流的反饋點前移，同時求出內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)可以得出圖3(c)，最后求出圖3(c)的內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)并將輸出電壓反饋點前移即可得到圖3(d)的等效框圖。

由圖3的等效變換結(jié)果可得：

其中，

圖2 單逆變器電壓電流環(huán)控制框圖

圖3 電壓電流控制框圖等效變換

圖4 單逆變器受控源等效電路

3 系統(tǒng)等效電壓增益特性分析

在逆變器離網(wǎng)帶載運行時，負(fù)載對輸出電壓的影響可以看成是負(fù)載電流的擾動，該擾動在逆變器輸出阻抗Zo(S)和傳輸線阻抗Zline(S)上產(chǎn)生一定的壓降，導(dǎo)致逆變器在母線點的實際電壓低于電壓環(huán)的參考值。在GCuo(S)和GCi1(S)均為PI控制時，等效電壓增益為

在電壓和電流控制器參數(shù)變化的情況下，離網(wǎng)逆變器等效電壓增益μ的頻率特性分析如圖5所示，特性分析過程中，L1=2 mH、rL1=0.1 mΩ、L2=0.6 mH、rL2=1 mΩ、C=20 μF。

圖5(a)中，Kcp的取值分別為0.1、0.5、1和5，在Kcp=0.1時，電壓增益在6 660 Hz頻率處為0.276 dB，整體跟隨特性較好；但隨著Kcp值的增加，增益幅頻特性出現(xiàn)的峰值逐漸增加，在Kcp=5時，達到22.1 dB，并且處于25 500 Hz頻率處；Kcp值的增加過程中增益峰值點向高頻段偏移，對高頻諧波電壓進行了放大，降低了電能質(zhì)量，甚至破壞了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖5(b)中，Kci的取值分別為10、200、500和1 000，在Kci=10時，電壓增益在6 120 Hz頻率處幅值為32.2 dB，增益幅頻特性出現(xiàn)的峰值高，且在低頻段電壓增益特性變差；隨著Kci值的增加，峰值逐漸減小，在Kci=1 000時，為1.35 dB。在Kci的取值變化過程中，峰值頻率點未發(fā)生偏移，低頻段電壓增益特性變好。圖5(c)中，Kvp的取值分別為0.1、1、5和10，在Kvp=0.1時，電壓增益在311 Hz和5 030 Hz頻率附近處形成增益幅頻特性的峰值分別為13.2 dB和11.9 dB；隨著Kvp值的增加，在311 Hz頻率附近的峰值逐漸減小至0 dB，但高頻段的峰值增加且往高頻方向偏移，在Kvp=10時，峰值點位于12 300 Hz處且為16.9 dB。圖5(d)中，Kvi的取值分別為10、100、1 000和2 000，電壓增益特性幾乎不發(fā)生變化。綜合以上分析得出，在本文硬件參數(shù)條件下，當(dāng)Kcp在0.1附近取值，Kci在800至1 000范圍內(nèi)取值，Kvp在10附近取值時，可以得到較好的電壓增益特性。依據(jù)本文的分析方法在其他具體的實例應(yīng)用中同樣可以選擇出合適的控制參數(shù)，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和并網(wǎng)電能質(zhì)量[8]。

4 結(jié)論

分布發(fā)電技術(shù)目前正在大規(guī)模應(yīng)用，交流微網(wǎng)系統(tǒng)是其典型應(yīng)用方案，微網(wǎng)逆變器作為分布式電源輸出接口裝置，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸出電能質(zhì)量起關(guān)鍵性作用。本文在分析交流微網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器控制策略的基礎(chǔ)上，給出了微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)受控源等效電路模型，基于模型分析逆變器在電壓和電流控制器參數(shù)變化的情況下電壓增益特性，為微網(wǎng)系統(tǒng)中的逆變器控制參數(shù)的選擇提供了參考依據(jù)。

圖5 電壓電流控制參數(shù)變化時逆變器等效電壓增益μ頻率特性