朱妍雯 姚景昆 劉毅

摘 要：隨著國(guó)家對(duì)分布式發(fā)電的大力扶持，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國(guó)的裝機(jī)容量逐年增加，但對(duì)于光伏并網(wǎng)所帶來(lái)的電能質(zhì)量的干擾是研究的重點(diǎn)問(wèn)題。因此對(duì)光伏發(fā)電的本質(zhì)機(jī)理進(jìn)行研究，分析光伏并網(wǎng)中的電網(wǎng)電壓定向控制策略以及光伏并網(wǎng)中的鎖相問(wèn)題。針對(duì)常規(guī)鎖相方法所存在相位誤判和失步的問(wèn)題，提出一種基于廣義積分器的鎖相環(huán)改進(jìn)方法。仿真結(jié)果表明在低頻下，該方法能夠有效分析正負(fù)序，明顯提高了鎖相精度。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)；廣義積分器；鎖相環(huán)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.161

1 引言

全球溫室效應(yīng)的加劇以及人類環(huán)保意識(shí)的逐步增加，使用可再生能源是當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的大勢(shì)所趨。而光伏發(fā)電是目前較為代表性的可再生能源，光能是完全無(wú)污染的可再生能源，電能是各類能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的良好媒介。因此光伏發(fā)電在世界范圍內(nèi)得到蓬勃發(fā)展。

隨著我國(guó)大力推進(jìn)民用光伏系統(tǒng)的部署，小型光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)更加容易受到電網(wǎng)擾動(dòng)的影響，尤其是弱電網(wǎng)效應(yīng)會(huì)對(duì)逆變系統(tǒng)造成不利影響。為了提高光伏系統(tǒng)的可靠性，本文從光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了鎖相控制的可靠性問(wèn)題，對(duì)于光伏系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣具有一定的工程價(jià)值。

2 光伏并網(wǎng)逆變器基本原理

三相光伏并網(wǎng)逆變器的等效拓?fù)潆娐穲D如圖1所示，圖中的Udc為光伏該光伏系統(tǒng)的前級(jí)輸出電壓，即光伏電池經(jīng)過(guò)升壓和穩(wěn)壓電路輸出的直流電壓。S1～S6為開關(guān)器件，在實(shí)際電路中是6個(gè)IGBT開關(guān)，Ua、Ub、Uc和Ia、Ib、Ic分別是逆變器的三相輸出電壓和三相輸出電流，Lf是逆變器側(cè)電感，Lg是網(wǎng)側(cè)電感，Cf為濾波電容，Uga、Ugb、Ugc是三相電網(wǎng)電壓。

根據(jù)上述電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三相逆變系統(tǒng)可以通過(guò)坐標(biāo)變換從不同角度建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，減少變量，便于后續(xù)系統(tǒng)分析和控制器的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。因此，本文通過(guò)建立三相逆變系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和控制方法研究。

則在三相靜止坐標(biāo)系下，三相并網(wǎng)逆變器的電流和電壓的傳遞關(guān)系為：

式中，L為整個(gè)系統(tǒng)的總電感，由公式可知，該系統(tǒng)之間的變量關(guān)系復(fù)雜，不利于進(jìn)行數(shù)字化控制。因此通過(guò)Clark和Park變換，可以得到并網(wǎng)逆變器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程為：

分析上式可知，在dq坐標(biāo)系下，系統(tǒng)的函數(shù)關(guān)系明顯得到了簡(jiǎn)化，且變量的數(shù)量也更少。但存在交叉耦合項(xiàng)ωLigq和ωLigd，因此在dq軸上的分量方程之間有耦合關(guān)系，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙軸的精確控制，在實(shí)際控制中需要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)一步的解耦，將兩部分?jǐn)?shù)學(xué)關(guān)系相互獨(dú)立以提供可控性。

3 基于電網(wǎng)電壓定向的電流控制策略

前文仔細(xì)分析了光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過(guò)已經(jīng)推理出的關(guān)系可知，在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下系統(tǒng)中的各個(gè)控制量均為直流量。根據(jù)dq軸下的各分量關(guān)系可以計(jì)算系統(tǒng)輸出的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率如下式所示：

式中的p表示瞬時(shí)有功功率，q表示瞬時(shí)無(wú)功功率。由于在理想狀態(tài)下的電網(wǎng)系統(tǒng)是三相平衡且對(duì)稱的系統(tǒng)，即Ugq=0。由此可將上式簡(jiǎn)化為：

由上式可知，通過(guò)控制dq電流分量可以分別獨(dú)立的控制有功功率和無(wú)功功率。根據(jù)前文的推導(dǎo)，在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下系統(tǒng)的耦合度明顯減弱，變量之間的關(guān)系也更少，但電流之間仍存在小的耦合項(xiàng)，則必須進(jìn)行解耦以消除耦合性導(dǎo)致的dq軸參數(shù)之間的相互影響。使用經(jīng)典PI控制法，則在dq坐標(biāo)系下對(duì)電流進(jìn)行解耦得到的電壓分量的關(guān)系式為：

上式中的ud和uq分別為給定電壓在dq軸上的分量大小，因此實(shí)現(xiàn)解耦關(guān)系的控制框圖如下所示：

至此，完成了對(duì)dq軸電壓和電流分量的單獨(dú)控制，即兩組分量之間不存在交叉耦合關(guān)系，在實(shí)際的數(shù)字控制系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)更高的控制精度。但是，當(dāng)前只是解決了耦合問(wèn)題，卻沒(méi)有解決光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的相位偏差問(wèn)題，若要保障光伏并網(wǎng)后的電能質(zhì)量，則必須要鎖定逆變器輸出的三相電壓的相位，使相位與電網(wǎng)電壓一致。

4 基于廣義積分器的鎖相環(huán)改進(jìn)方法

光伏發(fā)電系統(tǒng)隨著外部因素的變化，其對(duì)逆變器的控制要求也較高，當(dāng)電網(wǎng)表現(xiàn)出弱電網(wǎng)特性時(shí)，傳統(tǒng)的過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)、反正切函數(shù)鎖相方法都會(huì)有一定的誤差。因此本文提出一種基于廣義積分器的鎖相環(huán)控制方法。所提出的控制方法中的核心結(jié)構(gòu)是二階自適應(yīng)濾波器，其本質(zhì)上是一種對(duì)正弦信號(hào)的帶通濾波器，同時(shí)產(chǎn)生相位相差90°的正交信號(hào)。在兩相靜止坐標(biāo)系下，正負(fù)序電壓分量經(jīng)過(guò)相移運(yùn)算得到，正交信號(hào)由廣義積分器（SOGI）產(chǎn)生，其控制框圖如下所示。

圖中的輸入信號(hào)為x，輸出信號(hào)分別為y、z，從電網(wǎng)中采集的頻率為ω，系統(tǒng)的諧振角頻率為ω0，則可以推導(dǎo)出傳遞函數(shù)為：

以上兩式中k為增益系數(shù)。諧振角頻率通常為固定值ω0=100π rad/s，其頻率特性與k值的選取有很大的關(guān)系，D（s）表現(xiàn)為帶通濾波器，在ω=ω0處時(shí)，信號(hào)可以不衰減通過(guò)，其余頻段信號(hào)都有衰減，k的值越小，帶通濾波器的帶寬越小，同時(shí)對(duì)其他信號(hào)的衰減程度越大，Q（s）表現(xiàn)為低通濾波器，在ω=ω0處時(shí)，信號(hào)開始衰減，衰減程度隨著k值的增加而減小，同時(shí)輸出信號(hào)相位滯后90°，呈現(xiàn)相移濾波特性。

因此，當(dāng)三相電網(wǎng)電壓輸入信號(hào)變換到兩相靜止坐標(biāo)系下，通過(guò)二階廣義積分器和經(jīng)過(guò)適當(dāng)運(yùn)算就可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)序變量分離：

根據(jù)以上公式，可以分離出電網(wǎng)電壓的正序分量，并將其產(chǎn)生的信號(hào)作為輸入信號(hào)，從而計(jì)算出正確的電網(wǎng)相位信息。

基于二階廣義積分器的鎖相環(huán)在本質(zhì)上是屬于前置濾波器的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系鎖相環(huán)的范疇，但與加入低通濾波器的方法相比，其不同點(diǎn)在于它沒(méi)有在dq坐標(biāo)系以消除二倍頻振蕩為目的，籠統(tǒng)的設(shè)定截止頻率，而是在αβ坐標(biāo)系中，通過(guò)其本身具有的相移特性，再經(jīng)計(jì)算實(shí)現(xiàn)正負(fù)序的分離，不僅可以在電網(wǎng)不平衡狀態(tài)下得到相位信息，而且還可以有效抑制電網(wǎng)諧波對(duì)鎖相環(huán)造成的影響，是在弱電網(wǎng)環(huán)境下保證鎖相環(huán)精度的一種有效方法。

5 仿真結(jié)果分析

在Matlab/Simulink仿真軟件中建立了基于廣義積分器的光伏并網(wǎng)鎖相環(huán)的仿真模型，同時(shí)采用了SOGI濾波器對(duì)正負(fù)序分量進(jìn)行了分離。在仿真軟件中分析了電網(wǎng)電壓不平和時(shí)該方法的鎖相能力，仿真結(jié)果如圖4所示。圖4（a）表明，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，在啟動(dòng)的瞬間其測(cè)量的角度存在較大的誤差，但是在一個(gè)周期后即進(jìn)入穩(wěn)定。圖4（b）同樣表明，當(dāng)電網(wǎng)中存在較大的諧波時(shí)，通過(guò)廣義積分器的方法可以有效進(jìn)行鎖相。兩組不同的工況仿真結(jié)果表明了改進(jìn)后的鎖相環(huán)能夠有效濾除負(fù)序和諧波分量，消除其對(duì)鎖相造成的影響，提高了相角計(jì)算的精度。

此外，進(jìn)一步的分析圖4（b）可知，仿真給定的電網(wǎng)電壓為非對(duì)稱高諧波的電壓信號(hào)，而鎖相環(huán)依然可以精準(zhǔn)計(jì)算出相角，可見該方法在復(fù)雜工況下依然具有很高的計(jì)算精度。

6 結(jié)論

本文首先分析了光伏系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和三相全橋逆變系統(tǒng)的拓?fù)淠Ｐ?。針?duì)逆變器的模型推理了在三相靜止坐標(biāo)系和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上分析了光伏并網(wǎng)中存在的交叉耦合問(wèn)題，推導(dǎo)了基于電網(wǎng)電壓定向的dq軸解耦電流控制方法。文章重點(diǎn)分析了光伏并網(wǎng)鎖相環(huán)的可靠性問(wèn)題，研究了基于廣義積分器的光伏并網(wǎng)鎖相改進(jìn)方法，仿真結(jié)果表明了該方法在電網(wǎng)電壓不平衡以及含有較大諧波時(shí)都具有較高的可靠性。

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基金項(xiàng)目：河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)（科技攻關(guān)）項(xiàng)目（No.182102210258）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：14A470003）

作者簡(jiǎn)介：朱妍雯（1990-），女，河南新鄉(xiāng)人，碩士，助教，主要從事智能控制研究。