【《光伏并网逆变器控制策略及仿真搭建案例分析》5900字（论文）】

光伏并网逆变器控制策略及仿真搭建案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u18810光伏并网逆变器控制策略及仿真搭建案例分析 1254771.1光伏并网逆变器工作原理 1164481.2控制策略仿真搭建 3259021.2.1电压电流双闭环PI控制 3209841.2.2电压PI控制电流PR控制 646181.3故障工况下控制效果评估 8130381.3.1故障工况下控制策略改进 840081.3.2双闭环PI控制效果评估 11213061.3.3电压PI电流PR控制效果评估 14295541.4小结 171.1光伏并网逆变器工作原理在电网正常工作的情况下，如图1.1所示的光伏并网系统可以分别在三相abc静止坐标系、两相静止αβ坐标系和两相旋转dq坐标系[14]下建立坐标系。图1.1光伏并网系统模型图图中ea、eb、ec分别为电网三相电动势；ia、ib、ic分别为电网侧的输入电流；ua、ub、uc分别为光伏变流器的三相输出电压；udc为光伏变流器直流母线电压；idc为光伏变流器直流侧电流；i为光伏电池的输出电流；L为电网侧电感；Cdc为光伏电池直流母线电容。Sa、Sb、Sc分别为三相桥臂开关函数：Sk=1（k=a，b，c）表示相应桥臂上管导通，下管关断；Sk=0表示相应桥臂上管关断，下管导通。并网逆变器可以通过控制IGBT等电力电子器件的瞬时通断，将直流电逆变为交流电，跟踪电网电压，调节输出功率，调整功率因数。并网逆变器的结构、参数和控制策略将直接影响并网点的电能质量，进而影响电网的运行效率和稳定性。图5.1所示的电流拓扑结构在三相静止abc坐标系下的数学模型为式（1.1），在两相静止坐标系下的数学模型为式（1.2），在正负旋转坐标系下的数学模型为式（1.3）。（1.1）可以看出，光伏并网逆变器在三相静止abc坐标系下的数学模型物理意义非常明确，但是在该模型中三相电压、电流之间存在耦合，不好控制。因此需要对该数学模型进行坐标变换，得到的在两相静止αβ坐标系下的数学模型如下：（1.2）式中eα和eβ分别为电网电动势在两相静止坐标系α和β轴的分量；iα和iβ分别为输出电流在α和β轴的分量；Sα和Sβ分别为开关函数在α和β轴的分量。为了实现后续的控制要求，需要对式（1.2）进行坐标变换，得到两相旋转坐标系dq轴下的数学模型为式（1.3）。（1.3）式中ed和eq分别为电网电动势在两相旋转坐标系的d轴和q轴分量，id和iq分别为输出电流在d和q轴的分量；Sd和Sq分别为开关函数在d和q轴的分量；为电网电压的同步角速度。将各输出量变换到两相旋转dq坐标系可以将三相电源的解耦，实现对直流电流的无静差跟踪。1.2控制策略仿真搭建光伏并网逆变器根据自身拓扑结构的不同，可以分为单级型和双级型[28]。本研究采用单级式光伏并网系统。单级式光伏并网系统主电路由光伏阵列、三相电压源型逆变器、滤波器和电网构成。其等效示意图如图1.1。这种单级式并网结构能量转换环节少且能量转换效率高。但是三相电压源型逆变器不仅要控制并网点电流使其频率和相位与电网侧相同，还需要有最大功率点跟踪功能，控制技术会更加复杂。图1.1单级式光伏并网系统结构示意图1.2.1电压电流双闭环PI控制本研究首先采用3.5节介绍的PI控制策略对并网逆变器进行电压电流双闭环PI控制，实现光伏电池的并网。光伏电源数学模型参照2.1.1节，设电网侧额定电压为0.38kV，频率为50Hz，并网点额定电流为1.1kA。在PSCAD中电压外环PI控制效果如图1.2所示。图1.2电压外环PI控制效果图从图1.2中可以看出：在系统开始运行之后，直流侧电压检测值UDC与其参考值UDCref之间的误差越来越小，在大约0.8s之后两条曲线近似完全重合，直流侧电压UDC与直流侧电压参考值UDCref均稳定0.8kV，该电压为光伏电池工作在最大功率点处时对应的电压值，因此可以看出，通过增量电导法实现的MPPT控制以及电压外环的PI控制效果均良好。在PSCAD中正序有功电流分量、无功电流分量PI控制效果如图1.3所示。(a)正序有功电流波形(b)正序无功电流波形图1.3正序电流PI控制效果图从图1.3中可以看出，在系统开始运行之后，正序有功电流参考值i+dref随电压外环的输出量在0.1s发生突变，之后实时正序有功电流i+d迅速跟随，虽然有一定的超调但是也马上趋于稳定，且0.5s后电流跟随效果良好。最终正序有功电流参考值i+dref及实时正序有功电流i+d稳定在1.3kV。正序无功电流参考值i+qref在PI控制器开始工作后稳定在0，随后实时正序无功电流i+q出现波动之后也迅速稳定在0附近。在PI控制中，比例系数的增大可以减小稳态时的误差且可以提高系统的快速性，但是同时也会造成一定的超调。从图中可以看出本研究采用的比例系数在满足响应快速性和准确性的同时也能保证超调控制在允许的范围内。并网点相电压、相电流波形如图1.4。(a)电网侧电压波形(b)电网侧电流波形图1.4电网侧波形从图1.4中可以看出：在系统开始运行之后，并网侧电流经PI控制迅速达到额定值，且频率为50Hz，控制效果良好；并网侧电流恒定为额定值。并网逆变器输出功率波形如图1.5。图1.5并网逆变器输出功率波形从图1.5中可以看出：在系统开始运行之后，并网侧的输出有功功率和无功功率均开始变化。有功功率迅速升高，并在约0.5s后达到最大之后稳定在0.5MVA；无功功率在出现少量超调之后也迅速稳定在0。经仿真验证，本研究采用的电压电流双PI控制策略能够在电网正常工作的情况下实现光伏发电系统有效并网。1.2.2电压PI控制电流PR控制本研究采用3.6节介绍的准比例谐振控制策略对并网逆变器进行电压外环PI控制，电流内环PR控制，实现光伏电池的并网。光伏电池模型、最大功率点控制及电压外环的控制均与上一节相同，因此本节重点介绍电流内环PR控制效果。在电流内环中两相静止坐标系下的双轴参考电流iα和iβ均由电压外环输出量经坐标反变换得到，经电流内环PR控制的控制效果如图1.6。(a)(b)图1.6电流内环PR控制效果图从图1.6中可以看出：在系统开始运行之后，α轴和β轴的实际输出电流i*α和i*β均响应迅速且对其各自的参考电流跟踪效果良好，在0.16s后α轴、β轴电流分量基本实现无静差平滑跟随。在电流准谐振控制中，比例环节可以使系统快速响应，减小稳态误差，谐振环节起到增大基波电流增益，抑制其他频率的电流谐波的作用。并网逆变器输出功率波形如图1.7所示。图1.7并网逆变器输出功率波形从图1.7中可以看出所示，在系统开始运行之后0.1s左右并网逆变器输出有功功率达到最大，之后稳定在0.5MVA，无功功率在出现少量超调之后也迅速稳定在0。经仿真验证，本研究采用的电压外环PI电流内环PR控制策略能够在电网正常工作的情况下实现光伏发电系统有效并网。后续将重点对电压电流双闭环PI控制和电压PI控制电流PR控制在电网不平衡情况下的控制性能展开对比1.3故障工况下控制效果评估随着光伏发电设备在电力系统中的装机容量越来越大，光伏并网系统对电网的稳定运行和整体调度的影响也越来越大。但是相对的，当电网侧发生故障时也同样会对光伏电池的运行造成影响。当电网发生严重故障而引起电压暂降时，会导致并网点电压下降，此时光伏电源也会受到冲击导致输出功率下降甚至出现持续振荡的情况[29]。1.3.1故障工况下控制策略改进在电力系统可能发生的各种故障中，非对称故障发生的几率较大，因此在对光伏并网逆变器进行控制的时候，也需要考虑光伏并网系统在电网发生非对称故障情况下的控制效果。电网发生非对称故障时引起的不对称电压暂降有并网点电压除了包含正序分量外还包含负序甚至是零序分量的特征。且由于光伏系统通过电力电子器件并网，其转动惯量较小，并网点电压暂降的问题发生后光伏电池直流侧母线电压不会升高太多，因此当电网发生不对称故障引起电压暂降时，本研究的控制目标为：通过限制逆变器的输出电流，调整光伏系统输出功率；当电网发生故障时，重点抑制电流中的负序分量，减弱二倍频分量波动。本研究依据瞬时无功理论，对逆变器输出量进行坐标变换，得到其在两相旋转坐标系下的数学模型，在通过对两相旋转坐标系下电流分量id和iq的控制可以实现光伏系统输出有功功率和无功功率的解耦。在电网处于正常工况的情况下，有功电流参考值i*d由电压外环的输出量决定，无功电流参考值i*q设为0，此时逆变器以单位功率因数运行，光伏系统仅向电网提供有功功率；当并网点发生电压暂降时，有功电流参考值i*d依旧由电压外环的输出量决定，无功电流参考值i*q根据检测到的电压暂降程度计算得到。在不同控制策略下，对无功电流参考值i*q进行修改，即相当于向电网补偿无功功率，提高并网点电压，从而使光伏系统实现低压穿越。本研究依据无功电流标准要求经分析计算得到的随电压暂降变化的无功电流参考值标准如式（1.4），根据逆变器的输出计算得到的有功电流的参考值标准如式（1.5）[30]。（1.4）（1.5）本研究在并网点发生电压暂降时的控制策略框图如图1.8。图1.8故障工况下控制框图参考文献[26]提出的电压电流空间矢量分析法，在电网发生不对称故障时逆变器输出的复功率可用式（1.6）表示。（1.6）式中P和Q分别表示逆变器输出的有功功率和无功功率；I*αβ和Eαβ分别为在两相静止坐标系下的电流复矢量共轭表达式和电压复矢量表达式；I+dq和E+dq分别为两相旋转坐标系下的正序电流复矢量表达式和正序电压复矢量表达式；I-dq和E-dq分别为两相旋转坐标系下的负序电流复矢量表达式和负序电压复矢量表达式。经过进一步推导，可以得到输出有功功率和输出无功功率的表达式如式（1.7）。（1.7）式中Pave和Qave分别为逆变器输出的有功功率平均值和无功功率平均值，Pcos和Psin分别为输出有功功率的二倍频分量，Qcos和Qsin分别为输出无功功率的二倍频分量。从式（1.7）中可以看出：由于逆变器输出的电压电流中含有负序分量，会导致其输出功率中存在二倍频分量。因此，本研究提出的控制策略应具备当电网发生不对称故障引起电压暂降时抑制负序电流的能力。1.3.2双闭环PI控制效果评估本研究采用基波正序电压值法来检测电网故障时的并网点电压暂降程度，对PSCAD中的光伏并网模型在系统侧设置三相对称故障，故障发生时间为0.6s，故障持续时间为2s，对并网点电压有效值进行检测得到的波形及并网点电压有功正序分量波形图如图1.9。图1.9并网点电压有效值检测波形图从图1.9中可以看出：电网在正常工况下运行时其线电压有效值为0.38kV，当仿真运行至我们设置的故障时间0.6s时，并网点线电压的有效值出现跌落，迅速降至0.18kV，跌落深度为53%。此时控制系统将根据式（1.4）和式（1.5）对两相旋转坐标系下的正序有功、无功电流参考值进行重新计算分配。从图中可以看出，通过PI控制器，并网点电压的有功分量可以实现对参考值的快速跟踪，且控制效果良好。在电网发生三相对称故障时，使用PI控制对正序有功和无功电流进行控制，其波形如图1.10。(a)正序有功电流波形(b)正序无功电流波形图1.10故障工况正序电流PI控制效果图从图1.10中可以看出：在0.6s电网发生对称电压暂降时，除了电压出现暂降的问题，并网点电流也有轻微暂降的情况。图1.10(a)中正序有功电流分量参考值从1.3kA迅速降低到1kA，经PI控制器调节实际有功电流分量迅速调整跟随参考值，但是在调整的过程中会出现一定程度的超调，之后再次稳定在1.3kA；图1.10(b)中正序无功电流分量参考值也由0暂降到-0.8kA，其中负号代表补偿无功功率，经PI控制器调节实际有功电流分量也迅速跟随参考值，但是也存在超调的问题。为了使控制器可以更快的对参考值进行跟随响应，在误差允许的范围内，可以允许输出量存在少量超调。在电网发生三相对称故障时，经PI控制并网点的电压电流波形如图1.11。(a)电网侧电压波形(b)电网侧电流波形图1.11故障工况并网点电压电流波形从图1.11中可以看出：在0.6s电网发生对称电压暂降时，可以观察到：当0.6s发生对称电压暂降时，三相电压峰值由原来的0.3kV出现轻微下降，三相电流出现轻微波动。因此从并网点处的电压电流波形图中可以看出，在电网出现三相对称故障时，PI控制的控制效果依旧良好。此时逆变器的输出功率波形如图1.12。图1.12故障工况输出功率波形从图1.12中可以看出：当0.6s发生对称电压暂降时，有功功率仅出现轻微波动，无功功率出现暂降，迅速减小至-0.1MVA，通过计算，可以得到补偿的无功电流参考值再经过PI控制，辅助电压恢复。从图1.12可以看出，本研究采用的PI控制在电网发生对称故障时，能够快速有效地对逆变器进行控制，实现光伏系统在电网故障情况下持续并网。1.3.3电压PI电流PR控制效果评估在上一节中的电压电流双闭环PI控制策略是基于同步旋转坐标系下的控制策略，虽然在电网发生故障时也可以使光伏系统稳定并网，但是在并网过程中动态过渡过程响应较差，而且存在一定超调，控制性能也还需要改进。本节将对3.6节提出的电压外环PI控制电流内环PR控制策略在电网侧发生不对称故障时的控制效果进行评估。电压外环PI控制电流内环PR控制策略是基于两相静止坐标系下的控制策略，因此只需要对电流进行反Clark变换得到在两相静止坐标系下的有功和无功参考电流即可对系统进行控制。省去了对电流进行正负序分离的环节，大大降低了系统的控制难度，也减小了响应延迟，提高了逆变器的并网效率。下面结合仿真，对电压外环PI控制电流内环PR控制策略在电网发生A相短路接地故障时的控制效果进行评估。光伏系统模型及相关参数与2.1节中相同，采用电压PI电流PR控制的并网控制策略。对PSCAD中的光伏模型在系统侧设置A相短路接地故障，故障发生时间为0.6s，故障持续时间为2s。此时电流环PR控制效果如图1.13。(a)轴电流跟踪波形(b)轴电流跟踪波形图1.13电流内环PR控制效果图从图1.13中可以看出：在0.6s电网发生A相短路接地故障后，α轴和β轴的实际输出电流i*α和i*β迅速迅速跟随其参考值，且两者波形几乎完全重合，而图1.10中不管是正序电流还是负序电流其实际输出在动态响应过程中均出现不同程度的超调。从波形的对比中可以看出，电流PR控制不仅动态响应速度快，且