薛榮輝

(西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院,西安 710077)

0 引言

我國將在2030年實現(xiàn)碳達峰,2060年實現(xiàn)碳中和,從電力領(lǐng)域來看,新能源發(fā)電逐步替代常規(guī)能源發(fā)電是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑之一[1-2]。

近年來,雖然風(fēng)能和太陽能發(fā)電占比逐漸提高[3-4],但是風(fēng)能和太陽能發(fā)電具有間歇性的特點,產(chǎn)生的電力不能直接滿足負載的要求,需通過電力電子裝置進行控制變換。此外,隨著科技的發(fā)展,對電力電子裝置的要求也越來越高。為減少并網(wǎng)電流諧波污染電網(wǎng),達到并網(wǎng)要求,一般并網(wǎng)逆變器采用濾波器進行濾波。盡管LCL型濾波器性能優(yōu)于L型濾波器,但在頻率響應(yīng)時會出現(xiàn)諧振尖峰導(dǎo)致諧振頻率也跟著發(fā)生跳變,若不加入有效阻尼就會導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器的輸出產(chǎn)生振蕩使系統(tǒng)不穩(wěn)定[5]。

為減輕電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的諧波對并網(wǎng)電流的影響,通常采用LCL型濾波器。一般情況下,該型濾波器對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波抑制能力還有待提高。文獻[6]研究表明,采用電容電流反饋有源阻尼可以有效抑制濾波器的諧振尖峰。

隨著并網(wǎng)功率的提高,單臺逆變器不能滿足要求,需多臺逆變器并聯(lián)運行,導(dǎo)致電網(wǎng)呈現(xiàn)弱電網(wǎng)特性,電網(wǎng)阻抗對系統(tǒng)產(chǎn)生影響[7]。文獻[8]提出改進型電網(wǎng)電壓前饋控制,采用微分近似控制器代替全前饋的微分項,解決部分前饋誤差。文獻[9]在電壓前饋通道中串聯(lián)相角補償函數(shù)來解決相位偏移問題,采用基于虛擬電感的電網(wǎng)電壓前饋控制來提高系統(tǒng)對弱電網(wǎng)的適應(yīng)能力。本文借鑒前述工作,引入電容電流有源阻尼,采用電容電流反饋有源阻尼控制,利用電網(wǎng)電壓前饋控制策略,分析電壓前饋和電容有源阻尼系數(shù)對并網(wǎng)電流的影響,建立仿真模型進行分析。

1 單相并網(wǎng)逆變器模型

圖1所示為LCL型單相并網(wǎng)逆變器主電路拓撲結(jié)構(gòu),圖中:Vin為直流側(cè)輸入電壓;Vinv為逆變器輸出電壓;i1為逆變器輸出電流;ic為電容支路電流;i2為并網(wǎng)電流;Hi1為電容電流反饋系數(shù);Hi2為電網(wǎng)電流反饋系數(shù);Hv為電網(wǎng)電壓反饋系數(shù);L1表示逆變器側(cè)電感;C為濾波電容;L2為并網(wǎng)側(cè)的電感。通過PLL鎖相環(huán)產(chǎn)生跟蹤電網(wǎng)電壓Vg相位,得到相位θ,構(gòu)成并網(wǎng)電流的有效指令。在控制電路中,Gi(s)為電流調(diào)節(jié)器,采用PI調(diào)節(jié)器。

圖1 單相LCL型并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

電容電流反饋的有源阻尼數(shù)學(xué)模型控制框圖如圖2所示,根據(jù)參考文獻[6]對圖2數(shù)學(xué)模型進行變換得到圖3所示。

圖2 采用電容電流反饋有源阻尼數(shù)學(xué)模型框圖

圖3 數(shù)學(xué)模型等效變化過程

圖3為數(shù)學(xué)模型等效變化過程。通過比較點和交叉點移動等效變換得到圖3(c),由此可得傳遞函數(shù)(式(1)和(2))。

(1)

(2)

Gx2(s)=

(3)

(4)

環(huán)路增益的表達式為:

TA(s)=Gx1(s)Gx2(s)Hi2

(5)

并網(wǎng)電流i2(s)的表達式為:

=i21(s)+i22(s)

(6)

式(1)～(6)中KPWM為逆變器傳遞函數(shù);Hi1為電容電流反饋系數(shù);Hi2為電網(wǎng)電流反饋系數(shù);Hv為電網(wǎng)電壓反饋系數(shù);Gi(s)為電流調(diào)節(jié)器;ZL1(s)、ZL2(s)、Zc(s)分別表示電感L1、L2、電容C的阻抗;i21(s)為并網(wǎng)電流指令跟蹤分量;i22(s)為電網(wǎng)電壓引起的并網(wǎng)電流擾動分量。

由式(6)可知,并網(wǎng)電流i2由穩(wěn)態(tài)分量和電網(wǎng)電壓引起的擾動分量構(gòu)成。當(dāng)電網(wǎng)電壓存在背景諧波時,并網(wǎng)電流i2畸變現(xiàn)象是因為隨著擾動分量所占比例的增加而改變的,所以可通過電網(wǎng)電壓前饋控制降低擾動分量,提高并網(wǎng)電流質(zhì)量。

2 電網(wǎng)電壓前饋控制

由圖3可知,在并網(wǎng)逆變器的輸出端口處并聯(lián)了一個大小相同的Gx2(s)/(1+TA(s))導(dǎo)納,可以完全的抑制Vg(s)對并網(wǎng)電流i2(s)產(chǎn)生的干擾。等效于在電網(wǎng)電壓的擾動Vg處與并網(wǎng)電流i2之間引入一條正向通道傳遞函數(shù)為Gx2(s)的支路,如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)電壓全前饋框圖

將圖4進一步等效變化,得到圖5,再將擾動分量Vg的前饋相加點從Gx2(s)的輸出端向前移動到Gx1(s)的輸出端處,并在此處添加一個反饋點,依據(jù)自控前饋點前移的原理改變其前饋函數(shù),等效變換如圖6(a)所示,等效變換后的結(jié)構(gòu)如圖6(b)所示。

圖5 電網(wǎng)電壓全前饋等效變化框圖

圖6 全前饋等效變換框圖

由圖5和6得到電網(wǎng)電壓前饋傳遞函數(shù)Gff(s)[10]

(7)

式中:1/KPWM為比例項;CHi1s為一次微分項;(L1C/KPWM)s2為二次微分項[6]。

3 非理想條件下電網(wǎng)電壓前饋

3.1 比例前饋函數(shù)項

將s=j2πf代入式(4),可得

Gff_P(j2πf)+Gff_d(j2πf)+Gff_dd(j2πf)

(8)

由式(8)得其中全前饋的比例項為

(9)

當(dāng)選取全前饋函數(shù)Gff(j2πf)的幅值為基準(zhǔn)時,得到的誤差E1(j2πf)的幅值標(biāo)幺值用E1(P,u)表示,其表達式為

(10)

當(dāng)E1(P,u)(f)<0.1時,根據(jù)式(6)可以求出fp1≈181 Hz。電網(wǎng)電壓前饋函數(shù)當(dāng)只有比例項時可以抑制3次諧波以下,此時的諧波抑制能力與全前饋抑制能力相當(dāng)。

3.2 比例+一次微分前饋函數(shù)項

只采用比例前饋加一次微分時,產(chǎn)生誤差用E2(j2πf)表示,產(chǎn)生誤差E2(j2πf)的幅值標(biāo)幺值E2(P,u)的表達式為

(11)

當(dāng)E2(P,u)(f)<0.1時,根據(jù)式(7)可以求出fp2≈641 Hz。當(dāng)含有13次以下諧波時,采用比例加一次微分前饋項可以達到諧波抑制,且與全前饋的抑制能力相似。但當(dāng)存在的諧波數(shù)量超過13次時,無法抑制諧波。采用全前饋可以使幅值標(biāo)幺值為0,因此,采用全前饋函數(shù)可以完全有效消除電網(wǎng)電壓包含50次以下諧波對并網(wǎng)電流的影響[11]。

4 仿真驗證

為了驗證前饋控制策略的可行性,在MATLAB/Simulink平臺搭建仿真模型,仿真條件如表1所示。

表1 電網(wǎng)電壓前饋仿真參數(shù)

4.1 電網(wǎng)電壓比例前饋

強電網(wǎng)忽略電網(wǎng)阻抗(Lg=0),建立圖7所示的單相LCL型并網(wǎng)逆變器MATLAB/Simulink仿真模型圖。

圖7 單相LCL并網(wǎng)逆變器全前饋仿真模型

采用電容電流有源阻尼反饋,電網(wǎng)電流反饋,電網(wǎng)電壓經(jīng)PLL鎖相環(huán)得到電網(wǎng)電流給定電流,電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)包括比例前饋、一次微分前饋、全前饋三部分,對不同的方法進行多次的仿真與比較分析。

通過0.02 s在電網(wǎng)電壓注入10%的3次諧波,驗證比例前饋作用。圖8所示為計算所得電網(wǎng)電壓加入3次諧波各前饋環(huán)節(jié)并網(wǎng)電流。

圖8 電網(wǎng)電壓加入3次諧波各前饋環(huán)節(jié)并網(wǎng)電流

由圖8(a)～(d)四張波形對比,并網(wǎng)電流波形相似,通過THD分析,無前饋時ig畸變率是5.37%,比例前饋、比例+一次前饋、全前饋時ig畸變率是2.30%左右,滿足并網(wǎng)要求。所以當(dāng)電網(wǎng)含有3次諧波時,通過引入比例前饋可以實現(xiàn)消除電網(wǎng)電壓帶來的諧波。

4.2 電網(wǎng)電壓比例+一次微分前饋

通過0.02 s在電網(wǎng)電壓注入10%的3、5、7、9次諧波,5%的11、13次諧波,驗證比例+一次微分前饋作用。圖9所示為計算所得電網(wǎng)電壓加入13次諧波各前饋環(huán)節(jié)并網(wǎng)電流。

圖9 電網(wǎng)電壓加入13次以下諧波各前饋環(huán)節(jié)并網(wǎng)電流

由圖9(a)～(d)四張波形對比,從圖(a)可以看出無前饋時并網(wǎng)電流畸變嚴(yán)重,THD為25%,加入比例前饋ig畸變率是6.53%,加入比例+一次前饋ig畸變率是2.77%、全前饋時ig畸變率是2.42%,所以當(dāng)電網(wǎng)含有13次以下諧波時,通過引入比例+一次微分前饋可以實現(xiàn)消除電網(wǎng)電壓帶來的諧波。

4.3 電網(wǎng)電壓全前饋

通過0.02 s在電網(wǎng)電壓注入10%的3、5、7和9次諧波,5%的11、13、15、17和19次諧波,3%的21、23、25、27、29、31和33次諧波驗證全前饋作用。圖10所示為計算所得電網(wǎng)電壓加入33次諧波各前饋環(huán)節(jié)并網(wǎng)電流。

圖10 電網(wǎng)電壓加入33次以下諧波并網(wǎng)電流

由圖10(a)～(d)四張波形對比,從圖(a)可以看出無前饋時并網(wǎng)電流畸變嚴(yán)重,THD為37.52%,加入比例前饋ig畸變率是21.35%,加入比例+一次前饋ig畸變率是10.73%、全前饋時ig畸變率是2.59%,所以當(dāng)電網(wǎng)含有33次以下諧波時,通過引入全前饋可以實現(xiàn)消除電網(wǎng)電壓帶來的諧波問題。

5 結(jié)論

本文研究了并網(wǎng)逆變器電網(wǎng)電壓前饋控制。首先,建立LCL并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型。其次,依據(jù)電網(wǎng)電壓對并網(wǎng)電流產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象對有源阻尼數(shù)學(xué)模型圖進行框圖等效變化。最后,提出電網(wǎng)電壓全前饋方法是為了驗證理論分析并且可以完全有效地達到抑制電網(wǎng)電壓對并網(wǎng)電流產(chǎn)生影響的效果。通過MATLAB的Simulink對此次實驗進行仿真運行,所得結(jié)論如下:

(1)若諧波次數(shù)為3次時,比例前饋可以有效地抑制對并網(wǎng)電流產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象;

(2)若諧波次數(shù)為13次以內(nèi)時,比例加一次微分前饋可以抑制對并網(wǎng)電流的影響;

(3)若諧波次數(shù)存在13次以上時,要想達到有效抑制干擾現(xiàn)象的效果只能采用電網(wǎng)電壓全前饋;

(4)諧波次數(shù)不同時都能不同程度地抑制電網(wǎng)電壓,但起到的作用各不相同。