光伏單相逆變器仿同步發(fā)電機特性控制系統(tǒng)設(shè)計

光伏單相逆變器仿同步發(fā)電機特性控制系統(tǒng)設(shè)計李玉超導(dǎo)師：殷桂梁緒論隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的不斷提高，社會的用電需求越來越大，對電能質(zhì)量和供電可靠性的要求也越來越高。傳統(tǒng)大電網(wǎng)難以滿足用戶多樣性的要求，特別對于地處偏遠、人口分布稀疏的地區(qū)的供電成本過高，導(dǎo)致大電網(wǎng)存在著一定的空白和不足；而化石能源的日益減少以及給環(huán)境帶來的污染，違背了可持續(xù)發(fā)展的思想，嚴重制約了社會的進步和發(fā)展。相對于傳統(tǒng)能源，新能源普遍具有污染少、儲量大的特點，對于解決當今世界嚴重的環(huán)境污染問題和資源（特別是化石能源）枯竭問題具有重要意義。同時，由于很多新能源分布均勻，對于解決由能源引發(fā)的國際能源之爭的問題也有著重要意義。因此如何拓展利用新能源，擺脫能源危機對社會發(fā)展阻礙，成為各國關(guān)注的焦點。

可再生能源發(fā)電系統(tǒng)

傳統(tǒng)發(fā)電模式大量地消耗以煤為主的化石能源，對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的污染和破壞，這些問題使得研究利用清潔能源和可再生能源發(fā)電成為迫在眉睫的課題。和傳統(tǒng)化石能源相比，可再生能源具有清潔、對環(huán)境污染小、可循環(huán)使用、取用方便的特點。目前可再生能源的種類主要有：風能、太陽能、潮汐能、地熱、燃料電池等，其中主要的能源為風能和太陽能，這兩種能源是大自然中最為常見的能源形式，捕獲方便，而且取之不盡用之不竭，是傳統(tǒng)化石能源的理想替代者。能源的日益匱乏，社會的快速進，使得用戶對供電質(zhì)量和供電可靠性的要求越來越高，隨著電力需求的迅猛發(fā)展，電力部門大多把投資集中在火力、水力、核電等大型集中電源和超高壓遠距離輸電網(wǎng)的建設(shè)上，但是隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴大，超大規(guī)模的電力系統(tǒng)的弊端日漸顯現(xiàn)，成本高，運行難度大。在這樣的社會背景下，基于新能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)（DistributedGeneration-DG）應(yīng)運而生。分布式發(fā)電系統(tǒng)分布式發(fā)電通常是指發(fā)電功率在幾千瓦至數(shù)百兆瓦（也有的建議限制在30～50兆瓦以下）的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發(fā)電單元。主要包括：以液體或氣體為燃料的內(nèi)燃機、微型燃氣輪機、太陽能發(fā)電、風力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等，這些電源由電力部門、電力用戶或第三方所有，用以滿足電力系統(tǒng)和用戶的特定的要求，如調(diào)峰、調(diào)壓，為邊遠用戶或商業(yè)區(qū)和居民區(qū)供電，節(jié)省輸變電投資、提高供電可靠性等等。分布式能發(fā)電的優(yōu)勢在于可以充分開發(fā)利用各種可用的分散存在的能源，包括本地可方便獲取的化石類燃料和可再生能源，并提高能源的利用效率。分布式發(fā)電系統(tǒng)中各發(fā)電裝置分散獨立，相互不干擾，因此可以避免大規(guī)模的供電故障，有著比較高的安全可靠性。同時分布式發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)當?shù)氐哪茉捶植继厣偷厝〔?，充分利用清潔能源，減少環(huán)境和燃料運輸?shù)膲毫Α７植际桨l(fā)電由于其獨特的位置靈活性，極大的適應(yīng)了分散電力需求和資源分布，得到了大力的發(fā)展，特別是在農(nóng)村、山區(qū)、牧場等地區(qū)，大大減少了發(fā)電成本，滿足了用戶機動性的需求，加大了能源的循環(huán)利用；而且該系統(tǒng)的輸配電損耗很低，無需建配電站，降低了輸配電成本。同時它與大電網(wǎng)互為備用，改善了供電可靠性。微電網(wǎng)雖然分布式發(fā)電有很多優(yōu)點，但是由于分布式發(fā)電系統(tǒng)傳統(tǒng)的單機接入成本高，不易控制，最重要的是對于大電網(wǎng)來說它是一個不可控源。因此當分布式發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，一旦分布式系統(tǒng)不穩(wěn)定或者輸出電能質(zhì)量偏離標準范圍，即會引起大電網(wǎng)電壓和頻率的波動，嚴重者甚至?xí)?dǎo)致大電網(wǎng)的癱瘓，給電網(wǎng)的安全，穩(wěn)定的運行帶來了隱患[4]。為了解決分布式發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)之間的矛盾，充分挖掘分布式能源對電網(wǎng)和能源環(huán)境所帶來的價值，美國電力安全技術(shù)解決委員會（CERTS）最先提出“微電網(wǎng)（Microgrid）”的概念。微電網(wǎng)是由負荷和多個電源組成的單一可控的集合系統(tǒng)，它分為并網(wǎng)和孤島兩種運行方式。對于大電網(wǎng)來說，微電網(wǎng)最大的優(yōu)點就在于它的可控性，能夠根據(jù)需要在并網(wǎng)與孤島兩種狀態(tài)之間平滑的切換,從而保證了大電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行，避免了分布式發(fā)電系統(tǒng)的不足。適用于微電網(wǎng)的逆變電源控制方法逆變電源作為微電網(wǎng)和大電網(wǎng)之間的接口裝置，是實現(xiàn)微電源組網(wǎng)以及微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)的關(guān)鍵。要求逆變電源在滿足微電網(wǎng)負載功率的情況下，還必須保證其輸出電壓符合大電網(wǎng)的并網(wǎng)要求，并且當微電網(wǎng)處于孤島狀態(tài)下，逆變電源還必須能夠及時調(diào)整輸出，保障供電可靠性以及電能質(zhì)量。傳統(tǒng)的分布式逆變電源控制方法在并網(wǎng)狀態(tài)下，還能滿足運行條件，但是卻不能對電網(wǎng)故障或者負載變化導(dǎo)致的孤島狀態(tài)進行及時的調(diào)整。因此有必要對微電網(wǎng)中的逆變電源的控制策略進行重新設(shè)計，以滿足不同狀態(tài)下微電網(wǎng)對逆變電源的要求。并網(wǎng)技術(shù)要求

為了更大程度的發(fā)揮微電網(wǎng)的優(yōu)勢，微電網(wǎng)需要與大電網(wǎng)之間進行并網(wǎng)運行。在電力系統(tǒng)中，安全可靠是運行的第一要素，微電網(wǎng)要想與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，必須滿足一定的技術(shù)要求，否則勢必會給電網(wǎng)和用戶的安全帶來不利影響。與電力系統(tǒng)中發(fā)電機投入并網(wǎng)一樣，微電網(wǎng)中的逆變電源在投入并網(wǎng)之前必須滿足以下幾點條件：1.逆變電源的頻率必須和系統(tǒng)頻率相同2.逆變電源的輸出電壓必須和系統(tǒng)電壓相同，誤差范圍不得超過5%3.逆變電源的相序必須和系統(tǒng)相同4.逆變電源的輸出電壓相位必須和系統(tǒng)一致只有微電網(wǎng)的輸出電壓滿足以上技術(shù)要求時，才可以合閘并網(wǎng)，才能保證電網(wǎng)的安全運行。

微電網(wǎng)的特點及對逆變電源的要求

微電網(wǎng)是由負荷和微源共同組成的可控系統(tǒng)，能夠根據(jù)負荷需要以及外部情況，在并網(wǎng)與孤島兩種狀態(tài)之間平滑的切換。并網(wǎng)時，微電網(wǎng)和大電網(wǎng)共同向負荷供電，如此保證了供電質(zhì)量的可靠性，確保向用戶提供不間斷且穩(wěn)定的電能；當負荷或者大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，微電網(wǎng)必須能夠迅速的脫離大電網(wǎng)獨立運行，單獨向區(qū)域內(nèi)的負荷供電。孤島的初期，由于功率供需的不平衡，微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率將下降，如不及時調(diào)整，勢必給負荷帶來安全隱患。考慮到微電網(wǎng)的并網(wǎng)和孤島兩種工作狀態(tài)，微電網(wǎng)中的逆變電源必須滿足以下特點：當微電網(wǎng)處在并網(wǎng)狀態(tài)時，逆變電源要能根據(jù)調(diào)度中心的指令，根據(jù)負荷的大小合理分配輸出功率；當微電網(wǎng)處在孤島狀態(tài)時，要求逆變電源不僅能夠滿足負荷的功率需求，而且必須保證輸出電壓的幅值、頻率達到用電標準?；谝陨弦蛩氐囊螅㈦娋W(wǎng)中的逆變電源必須具有調(diào)頻調(diào)壓以及接受功率指令調(diào)度的功能。虛擬同步發(fā)電機概念的提出

微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間除了規(guī)模上的差異之外，發(fā)電裝置的區(qū)別才是兩者最本質(zhì)的不同。相比大電網(wǎng)中的同步發(fā)電機，微電網(wǎng)中的逆變電源的主要差異表現(xiàn)在：1.逆變電源的單機容量相對較小，造成了給相同負載供電時，微電網(wǎng)需要比大電網(wǎng)更多的發(fā)電單元，增加了控制上的難度2.逆變電源幾乎沒有慣性，而同步發(fā)電機具有大慣量的特點，因此逆變電源的電壓波動范圍比同步發(fā)電機的電壓波動大，控制策略比同步發(fā)電機復(fù)雜的多，進一步加大了控制難度。3.同步發(fā)電機的輸出阻抗大，且呈感性，逆變電源的輸出阻抗小，因此逆變電源抗電流沖擊的能力差，且輸出電流變化快，容易給電力電子裝置帶來不良影響。4.同步發(fā)電機過載能力強，而逆變電源中的電力電子器件的過載能力普遍較弱，一旦出現(xiàn)故障，逆變電源的抵抗能力相對脆弱。根據(jù)上文中分析，適用于微電網(wǎng)的逆變電源必須具備調(diào)功調(diào)頻調(diào)壓的功能，而目前微電網(wǎng)中的逆變電源大多采用下垂法，下垂法模擬了同步發(fā)電機的部分特性，卻沒有同步發(fā)電機輸出阻抗大、慣量大等特點，不能完全滿足微電網(wǎng)對于逆變電源的要求。本文借鑒電力系統(tǒng)中成熟的技術(shù)和經(jīng)驗，設(shè)計了基于同步發(fā)電機模型的微電網(wǎng)逆變電源—虛擬同步發(fā)電機，使逆變電源能夠完全的模擬同步發(fā)電機的特性，實現(xiàn)自同步、大慣性、大阻抗等特點，滿足微電網(wǎng)對逆變電源的要求，也使微電網(wǎng)在管理和調(diào)度方面能更好地借鑒吸收電力系統(tǒng)中的經(jīng)驗，促進了微電網(wǎng)的快速發(fā)展。虛擬同步發(fā)電機的設(shè)計原理

為了使逆變電源能夠模擬同步發(fā)電機的輸出特性，本文中將同步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型整合到逆變電源的控制算法之中，通過控制算法來改變逆變電源的輸出特性。在調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的輸出過程中，是通過調(diào)節(jié)輸入機械功率穩(wěn)定輸出頻率和功率，通過改變勵磁電流來調(diào)節(jié)輸出電壓，因此在虛擬同步發(fā)電機中，必須加入電壓、功率、頻率的閉環(huán)控制，使逆變電源更真實地模擬同步發(fā)電機的輸出特性。圖1為虛擬同步發(fā)電機的原理示意圖，它展示了虛擬同步發(fā)電機的組成。圖1虛擬同步發(fā)電機原理示意圖虛擬同步發(fā)電機的模型分析

由圖1可見，虛擬同步發(fā)電機主要由逆變元和虛擬同步發(fā)電機算法單元構(gòu)成，其中逆變單元的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2，微電網(wǎng)功率等級較大，因此采用三相全橋電路，全橋逆變電源則一般用在中大功率場合。逆變器輸出級接有LC濾波器，圖中顯示了三個采樣點I、U、I0，其中I與U用于電壓調(diào)節(jié)器的控制，來調(diào)節(jié)勵磁電壓Uf的輸出，U和I0則用來計算逆變電源輸出功率的大小，用來調(diào)整功率指令Pm的大小。Ls為逆變電源與大電網(wǎng)的連接感抗，通過改變逆變電源側(cè)的電壓來調(diào)節(jié)輸出電壓與電網(wǎng)電壓之間的相角關(guān)系，使逆變器能夠向電網(wǎng)輸送能量。圖2逆變器主電路拓撲結(jié)構(gòu)示意圖在逆變電路控制模型中，高頻SPWM調(diào)制方式的基本思想是輸入的參考正弦Umsin(ωt)和載波信號比較，用得到的寬度按正弦規(guī)律變化的PWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷脈沖去控制各功率開關(guān)器件。由于開關(guān)的動作是非連續(xù)的，分析時我們采用狀態(tài)空間平均法來分析。狀態(tài)空間平均法是基于輸出頻率遠小于開關(guān)頻率的情況下，在一個開關(guān)周期內(nèi)，用變量的平均值代替其瞬時值，從而得到連續(xù)狀態(tài)模型，簡化了分析過程。為了進一步簡化分析的復(fù)雜程度，在分析逆變單元模型時，均按照單相全橋拓撲進行分析。圖3為單相等效模型，逆變器輸出級接有LC濾波器，Ls為逆變器與大電網(wǎng)之間的連接感抗，R為負載，圖中忽略了電感中的阻性成分。圖3單相及等效拓撲結(jié)構(gòu)根據(jù)圖12將濾波器中的電感與電容分別用Ls和1Cs表示，則可以推導(dǎo)出A、B之間的電壓與逆變單元輸出電壓之間的頻域傳遞函數(shù)為：雙極性SPWM調(diào)制時,可以表示為：其中，占空比D根據(jù)SPWM調(diào)制可表示為：其中為參考正弦波信號，為三角載波峰值。由前式可得出：在SPWM中，載波頻率(開關(guān)頻率)遠高于出頻率時可將逆變橋看成是一個比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)定義為KPWM

。結(jié)合前式可得：即為逆變器輸入和輸出的傳遞函數(shù)根據(jù)該傳遞函數(shù)的表達式，可以得到其等效框圖如圖4所示：圖4逆變單元結(jié)構(gòu)框圖而對于虛擬同步發(fā)電機單元，由虛擬同步發(fā)電機算法的標幺值表達式，通過有名值換算以及拉普拉斯變換可得：式中p為轉(zhuǎn)子極對數(shù)。在同步發(fā)電機并網(wǎng)時，穩(wěn)態(tài)情況下通過一次調(diào)頻及二次調(diào)頻，輸出頻率在額定頻率附近的波動是很小的，這也是電網(wǎng)穩(wěn)定的條件。因此轉(zhuǎn)子運動方程中的機械轉(zhuǎn)速可以認為是恒定值為：結(jié)合前式，建立虛擬同步發(fā)電機算法的結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。其中Io(s)為逆變器輸出電流，作為虛擬同步發(fā)電機的電樞電流。輸出電壓U(s)作為逆變器的指令電壓，ω、Q的輸出為檢測信息，用于下文中的功頻調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)。圖5虛擬同步機算法單元結(jié)構(gòu)框圖虛擬同步發(fā)電機的控制策略

虛擬同步發(fā)電機是加入了同步發(fā)電機算法的新型逆變電源，它不同于傳統(tǒng)的逆變電源，在結(jié)構(gòu)上也不完全等同于同步發(fā)電機，它集中了兩者各自的特點，因此在其控制策略方面，需要整合普通逆變電源和同步發(fā)電機的控制方法。虛擬機的輸出電壓以及功率是最終要被利用的變量，必須保證輸出變量的穩(wěn)定性和變量的精度，因此在控制結(jié)構(gòu)上，參照并網(wǎng)逆變器的雙閉環(huán)控制策略，在逆變電源輸出端取相應(yīng)采樣點，通過輸出變量的反饋比較，達到控制輸出穩(wěn)定的目的。又因為考慮到虛擬同步發(fā)電機的設(shè)計初衷就是：使其輸出特性與同步發(fā)電機的輸出特性一致。從輸入輸出角度來看，虛擬同步發(fā)電機就是一個同步發(fā)電機，因此對于虛擬機的控制可宏觀上參照同步發(fā)電機的控制方法，圖6為同步發(fā)電機的系統(tǒng)控制圖。圖6同步機控制結(jié)構(gòu)示意圖借鑒同步發(fā)電機的控制結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計了虛擬同步發(fā)電機的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，如圖7所示：：圖7虛擬同步發(fā)電機控制結(jié)構(gòu)示意圖圖7展示了虛擬同步發(fā)電機的控制框圖，設(shè)計過程中借鑒了同步機的控制結(jié)構(gòu)，但是虛擬同步發(fā)電機本質(zhì)上是一個逆變電源，因此不存在同步發(fā)電機中的轉(zhuǎn)速變量，控制結(jié)構(gòu)中也就沒有測速器、調(diào)速器、原動機，取而代之的為功率調(diào)節(jié)，但是兩者在控制過程中的意義卻是一樣的，都是通過系統(tǒng)反饋信號和指令信號的比較來調(diào)節(jié)核心單元的輸入變量，從而穩(wěn)定輸出頻率以及調(diào)整輸出功率。圖7中的勵磁電壓調(diào)節(jié)器與圖6中的勵磁系統(tǒng)同出一轍，均用于調(diào)整勵磁電壓，穩(wěn)定輸出電壓幅值。

在虛擬同步發(fā)電機系統(tǒng)中，勵磁控制單元同樣承擔著重要的角色，本文采用電壓/電流雙閉環(huán)的控制方法對勵磁電壓調(diào)節(jié)器進行設(shè)計，內(nèi)環(huán)是電感電流瞬時調(diào)節(jié)環(huán)，用以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能；外環(huán)是瞬時電壓控制環(huán)，用于改善系統(tǒng)輸出電壓的波形，使其具有較高的輸出精度，從而保證虛擬同步發(fā)電機輸出電壓以及無功功率的穩(wěn)定。同步發(fā)電機激磁電動勢方程，其中E0為激磁電動勢，if

為勵磁電流。根據(jù)上式設(shè)計的虛擬同步發(fā)電機的電壓控制環(huán)節(jié)如圖8所示，其中Uref為輸出電壓指令值，U為實際電壓檢測值，k為Uref的前饋系數(shù)，i為電感電流檢測值，f為頻率。首先，將U與Uref相比較，通過PI控制器對電壓進行無差調(diào)節(jié)，得到電流內(nèi)環(huán)的給定信號i*。i*與電感電流采樣值i相比較，再加上電壓指令前饋信號得勵磁電流參考值if，勵磁電流的變化調(diào)整了輸出電壓，從而達到穩(wěn)定電壓的目的。圖8勵磁電壓控制器

借鑒同步發(fā)電機一次調(diào)頻、二次調(diào)頻的控制方法，本文設(shè)計了虛擬同步發(fā)電機的頻率、功率控制器，如圖9所示。圖中fref表示頻率的給定值，f為頻率反饋值，Pn為功率的給定值（調(diào)度中心分配指令），Pm為Pf控制器的輸出功率，相當于同步發(fā)電機中的原動機輸出機械功率。該閉環(huán)控制系統(tǒng)中，反饋值根據(jù)負荷的大小和變化情況，不斷地調(diào)整Pm，從而對輸出有功功率和頻率進行有效的控制。圖9Pf控制器頻率、功率閉環(huán)控制器的主要作用分為二個部分，功能如下：虛線框1是用來保持頻率穩(wěn)定，頻率偏差Δf經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對頻率的無差調(diào)節(jié)，使頻率穩(wěn)定在參考值fref

上，在作用效果上類似于同步發(fā)電機的二次調(diào)頻。2.虛線框2是利用下垂特性來進行控制的，其主要作用是給負載提供足夠