摘要

    隨著微網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展以及電力負(fù)載對電能質(zhì)量要求的提高，儲(chǔ)能逆變電源的離網(wǎng)技術(shù)得到廣泛的關(guān)注。對于單機(jī)控制，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的PI控制將交流量轉(zhuǎn)化成直流量進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了無靜差控制，克服了傳統(tǒng)PI控制的不足。對于并聯(lián)系統(tǒng)，使用用虛擬阻抗的方法實(shí)可將輸出等效阻抗設(shè)置為純感性（L型）、純阻性（R型）或純?nèi)菪裕–型），實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦，通過功率下垂控制實(shí)現(xiàn)各個(gè)儲(chǔ)能逆變電源模塊輸出功率的均衡。分析電流內(nèi)環(huán)對控制性能的影響，并對比分析單電壓環(huán)控制的雙閉環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)，給出解決系統(tǒng)在負(fù)載極端突變條件下電壓超調(diào)量過高的方法。提出基于純感性和純?nèi)菪韵到y(tǒng)并聯(lián)下垂控制的方法。通過MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對文中提出的一些結(jié)論及控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，說明其有效性。

1引言

    能源是人類社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著當(dāng)今世界的高速發(fā)展，人類的生活水平不斷提高，對能源的需求量越來越大。我國正處在經(jīng)濟(jì)騰飛的階段，對能源的需求量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界平均水平。以清潔、可再生的太陽能作為能源的光伏發(fā)電技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為清潔能源對于環(huán)節(jié)能源危機(jī)以及環(huán)境污染問題等方面具有重要的意義。太陽能更容易在誠實(shí)和居住區(qū)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用更為廣泛。研究光儲(chǔ)一體化系統(tǒng)，對于太陽能的分布式開發(fā)利用具有重要的意義。

2基于d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型

    為了有利于控制器的設(shè)計(jì)，可使用坐標(biāo)變換的方法，將abc坐標(biāo)系變換為與電網(wǎng)基波角頻率逆時(shí)針同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系。這樣，控制量就變成了直流量，使控制器的設(shè)計(jì)得到了簡化。三相儲(chǔ)能逆變器在dq坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型為：

                                                       (2)                                   

其中：                                                                                     

由式（2）可以得出儲(chǔ)能逆變器交流側(cè)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示：

圖1儲(chǔ)能逆變器在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型框圖

3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1控制系統(tǒng)硬件概述

     控制系統(tǒng)組成如圖2?？刂葡到y(tǒng)包括就地控制器、VF控制器、通訊管理模塊、快速通訊模塊、開入開出模塊、人機(jī)接口單元，各模塊通過CAN總線實(shí)現(xiàn)信息交互。

    DSP軟件功能：DSP軟件運(yùn)行在瑞薩192芯片上，在PD32M環(huán)境中進(jìn)行代碼開發(fā)，負(fù)責(zé)控制算法（交流電流閉環(huán)、交流電壓閉環(huán)、直流電壓閉環(huán)、下垂控制）實(shí)現(xiàn)、軟件保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)、故障錄波功能、開入開出控制、與MASTER進(jìn)行通訊。

    FPGA軟件功能：FPGA軟件運(yùn)行在CycloneIV系列EP4CE40或EP4CE115芯片上，完成模擬信號采集，硬故障處理、IGBT故障及溫度采集、生成脈沖等功能。

    MASTER軟件功能：MASTER軟件實(shí)現(xiàn)對多DSP的管理；規(guī)約轉(zhuǎn)換功能，完成與HMI及監(jiān)控系統(tǒng)的通訊功能。

    人機(jī)接口（HMI）功能：人機(jī)接口采用昆侖通態(tài)液晶屏及配套的組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)裝置信息的就地顯示及裝置的就地控制。

圖2控制系統(tǒng)組成

3.2軟件數(shù)據(jù)流

控制系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)流如圖3。該圖說明了控制系統(tǒng)中各部分的數(shù)據(jù)流向。

圖3控制系統(tǒng)組成及軟件數(shù)據(jù)流

3.3基于d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的控制策略分析

    由于三相儲(chǔ)能逆變器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq）下的控制量是直流量，使用PI控制器同樣可以做到無靜差控制。由于PI控制器控制帶寬較寬，不存在因頻率抖動(dòng)引起的震蕩問題。PI控制器簡單易調(diào)，更有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

    對于離網(wǎng)型儲(chǔ)能逆變系統(tǒng)，負(fù)載存在很大的不確定性，負(fù)載有可能會(huì)呈純阻性，有可能是容性，有可能是感性，甚至是空載。設(shè)計(jì)PI控制的參數(shù)時(shí)，必須是在負(fù)載對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響最大的情況下設(shè)計(jì)，使得最惡劣情況下系統(tǒng)仍然穩(wěn)定。

圖4系統(tǒng)控制數(shù)學(xué)模型框圖

3.4PI環(huán)路控制策略分析

1)交流電流控制

    交流電流控制策略如圖5。交流電流控制時(shí)，有功電流期望idref由由功功率期望計(jì)算得到，無功電流期望由無功功率期望計(jì)算得到。Idref與對應(yīng)的反饋值id比較后的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后輸出，iqref與對應(yīng)的反饋值iq比較后的誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后輸出；分別與各自的解耦補(bǔ)償項(xiàng)和電網(wǎng)電壓變換后的值相加得到dq坐標(biāo)系下的變流器交流側(cè)電壓參考，經(jīng)過2r/2s變換，再經(jīng)過SVPWM模塊得到abc坐標(biāo)系下的電壓參考，經(jīng)過調(diào)制后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號對變流器進(jìn)行控制。PI控制如圖6。

圖5交流電流控制策略

圖6PI控制框圖

2)直流電壓控制

    直流電壓控制策略如圖7。直流電壓控制時(shí)，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。直流電壓給定Udcref和反饋電壓Udc比較后的誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到d軸電流期望idref，iqref由無功功率期望計(jì)算得到；idref和iqref分別與各自的反饋值id和iq比較后的誤差分別經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，輸出與各自解耦項(xiàng)及電網(wǎng)電壓變換后的值相加得到dq坐標(biāo)系下的變流器交流側(cè)電壓參考，經(jīng)過2r/2s變換，再經(jīng)過SVPWM模塊得到abc坐標(biāo)系下的電壓參考，調(diào)制后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號對變流器進(jìn)行控制。

圖7直流電壓控制框圖

3)交流電壓控制

    交流電壓啟動(dòng)時(shí)采用恒頻恒壓（VF）方式?？刂撇呗匀鐖D8。為交流電壓期望，為實(shí)際電壓有效值；恒頻恒壓控制時(shí)三相電壓獨(dú)立控制，電壓頻率和幅值需要預(yù)先設(shè)定。電壓建立速度可調(diào)。

圖8交流電壓控制策略

4)鎖相環(huán)

鎖相環(huán)控制策略如圖9所示。

圖9鎖相環(huán)控制策略

4L型和C型系統(tǒng)并聯(lián)的下垂控制策略

基于下垂并聯(lián)控制是各子模塊實(shí)時(shí)檢測的各自輸出功率，通過功率下垂特性

對系統(tǒng)電壓頻率和幅值進(jìn)行反向調(diào)節(jié)，使得各個(gè)并聯(lián)模塊輸出同步，從而使各個(gè)

并聯(lián)模塊輸出功率均衡。

4.1純感性輸出阻抗（L型）的功率下垂控制

對于純感性輸出阻抗，下垂控制的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(3)

(4)

分別為有功功率和無功功率下垂系數(shù)，額定電壓，額定頻率。其頻率和電壓下垂控制特性如圖10所示。

圖10純感性輸出阻抗下垂特性曲線

4.2純?nèi)菪暂敵鲎杩梗–型）下功率下垂控制

對于純?nèi)菪暂敵鲎杩?，下垂控制的?shù)學(xué)表達(dá)式為：

(5)

(6)

分別為有功功率和無功功率下垂系數(shù)，額定電壓，額定頻率。其頻率和電壓下垂控制特性如圖11所示。

圖11容性輸出阻抗下垂特性曲線

為了實(shí)現(xiàn)對頻率高精度的調(diào)節(jié)本文采用PI控制器作為二次調(diào)頻的控制器，如圖12所示。

圖12有功-頻率下垂控制結(jié)構(gòu)圖

4.3下垂控制器參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算

    以L型輸出阻抗的下垂控制為例，如圖13，以P-f為下垂控制特性曲線為例，中為不同的下垂系數(shù)，其中當(dāng)有功功率變化時(shí)，由于當(dāng)無功功稍微變化時(shí)，B的頻率變化要比A的變化大，所以B的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能要比A好，但是頻率變化過大會(huì)使用電設(shè)備受到影響。因此，對于下垂系數(shù)的選取，應(yīng)考慮調(diào)節(jié)速度和電壓偏移的這種。

圖13不同下垂系數(shù)的P-f下垂控制曲線

    一般情況，對于功率從空載變化到滿載，下垂率設(shè)計(jì)為3%到6%，本文取下垂為4%,即負(fù)載從空載變化到滿載，頻率和幅值的變化都不超過4%。所以對于頻率?。?/span>

(6)

(7)

對于幅值?。?/span>

(8)

(9)

所以對于L型逆變器下垂系數(shù)為：

(10)

(11)

所以對于C型逆變器下垂系數(shù)為：

(12)

(13)

根據(jù)功率計(jì)算公式可得出：

(14)

(15)

5仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文研究的三相儲(chǔ)能逆變器模型的結(jié)構(gòu)如圖14所示：

圖14單機(jī)逆變器系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

380V三相電,負(fù)載為三相平衡負(fù)載，電路設(shè)計(jì)參數(shù)取表1的參數(shù)：

表1單機(jī)仿真電路參數(shù)和控制參數(shù)

輸出功率仿真波形如圖15所示：

圖15有功和無功功率波形圖

其中P=50kW,Q=0kW。可以看出系統(tǒng)啟動(dòng)后在0.045秒左右輸出有功功率達(dá)到了設(shè)定值，輸出波形穩(wěn)定，無超調(diào)量。系統(tǒng)輸出電壓電路波形如圖16所示：

圖16逆變器輸出線電壓和線電流的波形

    可看出，系統(tǒng)輸出電壓峰值為311V，實(shí)現(xiàn)dq坐標(biāo)系下PI控制器無靜差控制的控制性能，通過采集的輸出電壓和輸出電流計(jì)算得到輸出功率與設(shè)定功率吻合。

系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)波形如圖17所示：

圖17P=50kW、Q=0kW的實(shí)驗(yàn)波形

    圖17為有功功率50kW，無功功率為0kW的實(shí)驗(yàn)波形，交流電壓采集為網(wǎng)側(cè)電壓，交流電流采集為網(wǎng)側(cè)電流；直流端使用東汽自控鋰電池、交流接三相阻性負(fù)載；圖中交流電壓有效值：400V，電壓諧波：3.5%，其中3th：2.7%；電流諧波：3.7%。輸出電壓諧波均小于5%的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

    L型和C型儲(chǔ)能逆變器并聯(lián)仿真，采用L型和C型系統(tǒng)進(jìn)行并聯(lián)，一個(gè)下垂曲線的傾斜特性向下，一個(gè)下垂曲線的傾斜特性向上，會(huì)大大的減小輸出頻率和電壓幅值因輸出功率的變化而發(fā)生的偏移，即當(dāng)輸出功率發(fā)生變化時(shí)，輸出頻率和電壓幅值會(huì)維持在額定值處。

使用一臺(tái)L型和一臺(tái)C型系統(tǒng)并聯(lián)的輸出有功功率和頻率的仿真波形如圖18所示：

圖18（L型和C型并聯(lián)）輸出有功功率增加時(shí)頻率的變化波形

    取有功率取50kW、對應(yīng)的頻率為50.9Hz，在0.3秒處切換開關(guān)使系統(tǒng)使負(fù)載有功功率為100kW，頻率變?yōu)?0.8Hz。單個(gè)模塊輸出功率為50kW，均分了100kW的輸出功率。輸出電壓幅值隨無功功率變化的仿真波形如圖19所示：

圖19（L型和C型并聯(lián)）輸出無功功率增加時(shí)電壓幅值的變化波形

    取無功率取20kW、對應(yīng)的電壓幅值為為314.5V，在0.3秒處切換開關(guān)使系統(tǒng)使負(fù)載無功功率為40kW，電壓變?yōu)?14V。單個(gè)模塊輸出無功功率為20kW，均分了40kW的輸出無功功率。

    由圖18和圖19可看出，當(dāng)每個(gè)有功功率有25kW變到50kW時(shí)輸出電壓頻率變化僅為0.1Hz；當(dāng)無功功率由10kW變化到20kW時(shí)，輸出電壓幅值變化僅0.5V。對于輸出功率的變化，其輸出頻率和電壓幅值的偏移都很小，提高了電能質(zhì)量。

5結(jié)論

    隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，儲(chǔ)能逆變器作為新能源技術(shù)中非常重要的環(huán)節(jié)，得到了更深入廣泛的研究。分析了雙閉環(huán)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng),提出將純感性（L型）和純?nèi)菪裕–型）系統(tǒng)并聯(lián)并聯(lián)的下垂控制。研究分析了輸出頻率變化時(shí)輸出電壓頻率和幅值的偏移特性，降低下垂控制過程中的輸出電壓偏移，提高了電能質(zhì)量。通過電路仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的驗(yàn)證，驗(yàn)證前面的理論分析。仿真平臺(tái)為MATLAB，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為100kW儲(chǔ)能逆變器。根據(jù)L型和C型系統(tǒng)的下垂特性相反的原理，兩者并聯(lián)可互相彌補(bǔ)，降低下垂控制過程中引起的電壓偏移，提高了電能質(zhì)量。當(dāng)負(fù)載不平衡時(shí)，輸出電壓電流就會(huì)發(fā)生畸變，三相電壓電流就變得不平衡，問題還有待進(jìn)一步研究。

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