大功率并网逆变器的电压支撑控制

大功率并网逆变器的电压支撑控制 中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌:三峡大学，2013 李建文，雷亚雄，李永刚 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室 Email: xiaosazzi@163.com, yaxiong_lei@hotmail.com, lygzxm0@163.com 摘 要:具有电网电压支撑作用的低电压穿越能力是大功率并网逆变器控制的发展的必然趋势。采用双二阶广义积分器的锁频环，实现了电网电压跌落时的锁频以及正负序电压的提取;提出了具有对电网电压均衡和提升的作用的参考电流的计算公式， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 电网电压正、负序分量作用于无功功率对电压的影响，并对最大电流进行了限制，实现了低电压穿越;采用αβ静止坐标系中比例谐振电流环控制，实现了电流的无静差响应。并通过仿真实验验证了上述控制策略的有效性。 关键词:电压支撑 ;双二阶广义积分器锁频环;最大电流;正负序分量;比例谐振控制 Support Voltage Control for High Power Grid-connected Inverter Li Jianwen, Lei Yaxiong，Li Yonggang State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with ——————————————————————————————————————————————— Renewable Energy Sources Email: xiaosazzi163.com, yaxiong_lei@hotmail.com, lygzxm0@163.com Abstract: Control strategy research for high power grid-connected inverter which can ride through and voltage support under grid fault are developed quickly around the world. Frequency-locked loop based on generalized second-order integrator is used to track the frequency and achieve positive and negative sequence voltage, a control algorithm for reference current generation that provide the voltage raise and equalize support is given, then discussed how positive and negative sequence voltage affect grid voltage, the peak grid current is limited to ride through low voltage, PR current regulator is used to realize zero steady-state-error of current. Results from simulation experiments prove that the proposed control strategy is effective. Keywords: voltage support; DSOGI-FLL; peak current; positive and negative sequence voltage; PR regulator 1 引言 随着大量的新能源发电系统并网，大功率逆变器并网控制功能越 来越强大，它不仅在电网正常运行时高功率因数并网，进行有功功率 的传送;而且能在电网电压不平衡跌落时，具有低电压穿越能力，提 供无功功率，主动给电网提供电压的支撑[1-3]，低电压穿越能力是风 电、光伏等新能源大容量化、规模化发电并网指标之一，对电网的安 ——————————————————————————————————————————————— 全稳定具有重要的意义[4,5]。 光伏逆变器低电压穿越的关键在于电网电压跌落和恢复时光伏逆变器不至于因过流保护而停机脱网，若能向电网补充的一定的无功电流来支撑电网电压，效果更好。文献[6]提出电网电压跌落时，光伏并网逆变器运行在静止无功补偿模式，根据电网电压的跌落深度，通过电网电压前馈控制，计算需要向电网补充的无功电流的大小来对并网电压支撑，需要两套控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 来实现正常运行和电网电压跌落时的控制，而两方案的切换可能 基金项目:国家自然科学基金项目(51277072 ) ，中央高校基本科研业务费专项资金项目。 引起较大的冲击电流。文献[7]利用电池储能系统实现低 电压穿越，在不对称控制策略的基础上加入了电流分配与功率指令切换环节，对电网紧急无功支撑，增加了储能系统及附加的控制。 当电网电压不平衡跌落时，三相电压和注入的电流都是不平衡的，存在正、负序分量，传送到电网瞬时有功和无功功率包含2倍电网基波频率的振荡项[1]。注入到电网的电流根据选取的控制目标不同，提出不同的表达式，将有功功率和无功功率对电流正、负序分量独立控制, 通过电流控制器实现对指令电流的无静差跟踪，可以达到消除有功功率或无功功率的振荡，从而抑制直流侧电容电压的大幅波动[8];完全的瞬时有功、无功功率控制，注入到电网的功率可实时控制[9]或者消除负序电流，向电网注入正弦对称的电流，保证电能质量[10,11]等目的。 ——————————————————————————————————————————————— 电网变量的监测和电网同步是完成并网控制参考电流计算的前提，准确 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 出电网电压频率、正负序分量是十分必要的。当三相系统中的电压变得不对称甚至 F-261 中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌:三峡大学，2013 畸变时，采用电网同步技术主要有:1)基于2阶广义积分器的锁频环(SOGI-FLL) [12]。2)基于解耦双同步旋转坐标系的锁相环技术(DDSRF-PLL) [13]。3)基于3 个单相加强型锁相环(E-PLL)构成的三相锁相环[14]。以及以双同步旋转坐标系锁相环为基础改进的基于交叉解耦频率自适应复数滤波的电网同步锁相方法[15]，以2阶广义积分器为自适应滤波器的锁相环[16]。以上技术都能在不对称的三相系统中实现与2阶广义积分器锁频环大致相同的检测功能，但后几种的控制算法较复杂，且以相位为检测目标。 并网电流控制可以采用dq坐标系下比例积分控制，但在不平衡的三相系统中，其无法实现基波频率处的无静差控制[17]。此时可以采用同步旋转坐标系下正序电流和负序电流分量的PI控制，来补偿电网电压负序产生的谐波，但计算量会再加倍。比例谐振控制器在静止坐标系来同时控制正序和负序电流，不存在交叉耦合相，且能消除基波频率处的稳态误差。此控制器简单、易于数字实现，计算量低在有源滤波器以及并网逆变器控制中得到了广泛应用[18]。 ——————————————————————————————————————————————— 本文的旨在解决电网电压跌落情况下，并网逆变器有效控制问题。通过的参考电流的设定来实现电网电压支撑作用的低电压穿越能力;需要不平衡电网电压监测的同步技术与无静差的比例谐振控制技术，就这些关键技术提出解决方案，最后通过仿真实验进行了验证。 双二阶广义积分器锁频环包含2个基于2阶广义积分器的正交信号发生器(SOGI-QSG)和FLL增益归一化两部分，分别实现了正交信号发生器和锁频环的功能。 vabc在αβ静止参考坐标系的正、负序分量中可以通过式(1) 、(2)求得: 1?1?q?+ (1) vαβ=[Tαβ+]vαβ;[Tαβ+]=?? 2?q1? 1?1q? (2) ?? 2??q1? 式中，q是一个90?滞后的移相算子，这一算子可以通过基于2阶广义积分器的正交信号发生器来实现。这样，正负序分量的获取与电网电压的锁频通过二阶广义积分器联系在一起，其功能实现如图2。 ?vαβ=[Tαβ?]vαβ;[Tαβ?]= 图2 二阶广义积分器锁频环与相序提取 2 大功率并网逆变器的控制框图 大功率并网逆变器的控制框图如图1，光伏阵列通过Boost电路——————————————————————————————————————————————— 与直流电容Cd并联作为逆变器的直流侧，并网滤波器采用L滤波器。本文研究电网变量监测的电网同步技术、正交信号获取技术、相序提取技术、具有电压提升和均衡作用的参考电流计算方案、控制算法在αβ静止坐标系中实现，电流控制环采用比 例谐振控制。 基于2阶广义积分器的锁频环来实现电网变量的监测，此方法原理简单、实现容易，且能准确、迅速的检测电网的频率[1]，以及静止坐标系中的正负序电压vα+、vα-、vβ+、vβ-等信息，为并网电流采用正负序分量控制算法提供给定信号。 4 参考电流的设定 4.1具有电压支撑作用的电流设置 三相逆变器采用电感L滤波，在不平衡的电网电压情况下，无功功率产生的正、负序无功电流通过电感时将产生一个电压，此电压作用于电网电压，将对电网电压提升和均衡的作用。其原理图如图1中虚线框，下面对其原理进行分析。 αβ静止坐标系中，电网电压正、负序分量作用于无功功率产生的无功参考电流[3], 当正、负序无功电流共同作用时，为了控制正负序电流的比例，引入变量k2，iα , iβ参考电流表达式为 图1 大功率并网逆变器的控制框图 3 电网同步技术与正负序提取 F-261 中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北——————————————————————————————————————————————— 宜昌:三峡大学，2013 β/V β/V β/V α /V α /V * α /V a 只有正序分量时的影响(k2=1) b 只有负序分量 时的影响(k2=0) c 正负序分量都存在时的影响(k2=0.5) 图3 无功功率对电网电压的支撑作用(Q ?k2v+(1?k2)v?ββ iα=Q??+2+?2 2+??(v)+(v)(vα)+(vβ)2αβ? *? ??? =300var) 其中，γ为旋转角度。φ+,φ?为正负序电压分量 ?kv(1?k)vα ——————————————————————————————————————————————— iβ=Q*?+22α+2??22? ?(v)+(v)(v)+(v)2 βαβ?α + ?? ??? (3) 的相角，当φ+?φ?时，存在δ, δ= ??? ' ?Ia=Iα(γ=δ)?? ? π?' ?Ib=Iα(γ=δ+) 3? ? ??π' ==?II(γδc?α 3? (φ+?φ?) 2 得到公共连接点PCC处的电压vg’ 表达式如下: ——————————————————————————————————————————————— ?'diα ?vgα=vgα+Lg?dt (4)? diβ?' vgβ=vgβ+Lg?dt? 当电网发生单相接地故障后，A相电压从100V 降到了40V，对上面(4)式对应的策略进行了仿真，画出vg与vg’、 vg’’和vg’’’的αβ坐标系的图3。 从图中可以看出只有正序分量起作用时，即只向电网中注入无功正序电流时，αβ坐标系中的电网电压vg由原来的椭圆变为更大的一个椭圆vg’，即其电网电压得到了提升;只有负序分量起作用时，即只向电网中注入无功负序电流时，电网电压vg的椭圆程度降低向均衡的圆vg’’ 趋势发展，不平衡的三相电网电压得到了平衡;当正负序分量共同起作用时，电网电压vg电压既得到了均衡又得到了提升得到vg’’’。从而灵活控制正负序分量可以得到合适的电流注入到电网。 通过此表达式，只要设定最大电流I，此时无功功率Q便可求出，从而即可限定了最大电流。 4基于PR调节器在三相并网逆变器的实现 根据图1中的搭建的大功率并网逆变器的控制框图，将上述的电网同步算法、相序提取算法、最大电流限制的参考电流的计算法带入，比例谐振参数kp=0.4，kR =100，接入点的功率等级为10kVA，电网相——————————————————————————————————————————————— 电压220V。0.25s-0.3s电网正常运行，0.3s时刻A相发生接地短路故障。0.3s-0.4s是未加入电压支撑策略的波形;0.4s后采用本文提出的电压支撑策略，电流限值设为20A:0.4s-0.5s时，系数k2的值设为1;0.5s-0.6s时，系数k2的值设为0.5;0.6s-0.7s时，系数k2的值设为0。 从图4中可以看出，当0.3s时刻电网发生单相接地故障后，并网逆变器有功功率增加，在PR控制策略下，电网电流仍能跟踪有功参考电流，保持正弦对称，但由于短路故障，电压降低，造成电流有所增大，达到36A，这时可能会超过电网电流的限值，因此有必要加入电流限制。从0.4s开始使用本文的电压支撑策略，可以明显的看出电网电压有了明显的提升;k2=1或者0时，此时只有正序分量或者负序分量流入起作用，注入到电网中的电流为对称的电流;k2=0.5时，正负序分量分别起作用，此时注入到电网中的电流变的不对称。 3.2 最大无功电流限制 无功功率的注入可以缓解电压跌落，对电网电压有支撑作用，随着Q* 数值的增大，其电压支撑作用更为明显，但电网电流值也将增大。而逆变器的开关管和其他元器件的耐压、耐流有限，注入到电网中电流最大值也有一定的限制，不可以无节制地增大无功功率。需要对参考电流最大值进行限制，从而保证电网电压跌落情况下，各相电流不超限，增强穿越低电压的能力。电网电压跌落时，只有无功功率注入到电网时，最大的无功电流为[1] ?k2?v?2+(1?k)2?v+2?2k(1?k)cos2γ?v+?v??2222 ?(4) I=Q*2? ——————————————————————————————————————————————— +???v?v?? ? 2 F-261 中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌:三峡大学，2013 图4 电网线电压、电流的波形图 electronics, 2013, 60(4): 1429-1441. 电流的幅值被限制数值为20A，根据三相的旋转[4] 郑飞，张军军，丁明昌(基于RTDS 的光伏发电系统低电压角度得到三个不同的无功功率参考值。为保证三相电2012，36(22) : 1-6( 穿越建模与控制策略[J](电力系统自动化， [5] 李建林，徐少华(直接驱动型风力发电系统低电压穿越控制 流均不超限，最终的无功功率参考值选择三个中最小 策略[J](电力自动化设备,2012,32(1):29-33( 的。所以，最终仿真的电网电流最大值不会达到20A，[6] 王京保, 曾国宏, 荆龙,等.光伏并网逆变器及其低电压穿越技 术[J]. 低压电器,2012(17):26-30. 最大值约为15A ，起到了电流限制的目的。 [7] 侯桂欣，刘其辉，谢孟丽. 对称及不对称电网故障下的电池 储能系统低电压穿越控制策略[J]. 电力系统保护与控制,2013,41(10):62-67. ——————————————————————————————————————————————— [8] Fei Wang, Jorge L. 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