【《光伏发电并网逆变器控制结构和策略分析》2600字】

我国中小企业的技术创新研究光伏发电并网逆变器控制结构和策略分析目录TOC\o"1-3"\h\u15355光伏发电并网逆变器控制结构和策略分析 1151541.1并网逆变器拓扑结构和调制方法 1242041.2并网逆变器电压电流内环控制方法 34341.3并网逆变器的典型外环控制方法 4245911.1.1P/Q控制 5243741.1.2V/f控制 6322481.1.3下垂控制 61.1并网逆变器拓扑结构和调制方法在电力系统中，新能源等分布式电源接入电网的方式通常使用逆变器。逆变器有多种形式，对于分布式电源，采用的常见分类基本上有两种：按照控制目标分类逆变器可以能分成电压型逆变器以及电流型逆变器；而按照接入电网的位置不同，能够分作单相逆变器以及三相逆变器。常见的三相电压源型逆变器的拓扑图如图1.1。图1.1常见的三相电压源型逆变器的拓扑图如图1.1，逆变器的主体是S1-S6组成的开关电路，其源端为等效直流电压源，Lf与Cf组成了LC滤波电路，负责将三相PWM波形滤波为三相正弦电压。滤波电路有时候也采用其它相对更加复杂的滤波电路，如LCL型滤波电路，这样子可以缩小滤波器的体积大小，所以在实际中要根据情况选择合适的滤波器。PWM调制的方法也分为很多种，其中于并网逆变器中广泛运用的是SPWM调制技术，其调制方法直观且易于实现。在SPWM中，信号有载波信号、参考信号以及开关信号。其中下图采用的三角波就是其载波信号，载波信号以来承载参考信号，如下图的三角波即为载波信号，正弦信号为参考信号；参考信号与载波信号比较得出开关的开关时刻，从而开关输出开关信号，实现脉冲宽度的变化，依照信号学基本原理，开关信号经过滤波后，可以还原为参考信号。图1.2SPWM载波信号、参考信号和开关信号1.2并网逆变器电压电流内环控制方法逆变器电压电流内环控制的目的是实现逆变过程以及提高电能质量。电压电流内环控制按照对参考坐标不同，可以分为abc自然坐标系下的控制和dq0旋转坐标下的控制。dq0变换可以将三相瞬时信号控制问题转化为两相静止信号进行控制。其控制方法相比于abc旋转坐标系控制，可以采用更直观便捷的常用控制器，图1.3是在dq0坐标系下采用PI控制器的典型电压电流内环控制结构。图1.3dq0坐标系下典型解耦控制结构其中Uaref、Ubref，Ucref是三相参考电压，L是滤波器电感，C为滤波器电容，Ud和Uq为LC滤波器中电容电压的dq分量，Id和Iq为LC滤波器中电感电流的dq分量。ω为三相旋转角速度。三相参考信号经过dq变换为dq0坐标系下的两相静止信号，经过电压电流双闭环控制后再经dq反变换变成三相信号u*，此信号即送入SPWM调制器的调制信号。其中交叉解耦结构使得该双输入双输出的系统dq分量解耦，再分别用传统控制器对其进行控制。1.3并网逆变器的典型外环控制方法上述内容介绍了逆变器内部控制结构和功能，但是不能决定逆变器作为微源与电网之间纽带所要实现的控制目标。要实现微源与电网之间的连接，并网逆变器要承担如何高效传输电能的作用，即并网逆变器的功率外环控制技术。并网逆变器的简化结构如图1.4。图1.4并网逆变器简化结构图对并网逆变器简化结构进行分析，可以得出电压电流内环控制的参考信号来自于功率外环控制结构，这说明逆变器输出电压频率要由功率外环控制来得出，所以功率外环控制决定了逆变器的功能和作为一个整体的控制目标。将整个并网逆变器等效为一个受控电压源，在其稳定运行时等效图如图1.5。图1.5并网逆变器并网原理图U为并网逆变器输出的电压幅值，E为电网电压幅值，δ为两者电压相角，R为等效线路电阻，X为等效线路电抗，取逆变器与电网的相角差为∆δ。则逆变器输出的有功功率与无功功率分别为：P=Q=可见并网逆变器输出的有功和无功功率分别取决于逆变器的电压幅值和相位差，而通过控制频率可以间接控制相角差，进而可以实现对输出功率的控制。再此基础上，根据控制目标的不同，有P/Q控制、V/f控制下垂控制等功率外环控制方式。1.1.1P/Q控制P/Q控制是恒功率控制，通过一定的控制策略使得逆变器输出设定的恒定有功无功功率。P/Q控制在并网逆变器中应用广泛，其运用主要有两种：一是在如太阳能和风力发电的新能源并网场景中，为追求经济效益，常将并网功率设定为最大功率点功率；二是微网储能设备并网，采用恒功率控制来弥补电网一次调频缺额。但是并网逆变器采用P/Q控制需要由电网提供频率和电压的支撑，这相当于牺牲了稳定性来达到经济效益最大化。可以推测出，当采用此方式并网的逆变器容量和数量增加时，会对电网稳定性产生很大的冲击，电网的频率和电压支持将减弱。恒功率控制虽然经济效益好，但从长远角度看并不合适，这种控制方式对电网并不负责。1.1.2V/f控制V/f控制被称为恒电压和恒频率控制，在微网孤岛运行模式下时，其可以稳定和调节电压和频率。当在微网孤岛运行中，逆变器P/Q控制应用较多时，电压和频率支持非常弱，这时就要对微电网电压频率进行支持，V/f控制在微电网内就起到支撑作用。V/f控制对频率的调节是通过调节输出有功功率大小来达到的，对功率的调节是通过调节无功功率来达到的，实际中，V/f控制常和P/Q控制搭配运行于微网中，这样子既可以使得经济效益比较高，也可以达到电能质量要求。1.1.3下垂控制在电网中，频率是反映有功功率供应和消耗的重要指标，同理电压是反映无功功率平衡的重要指标。按照下垂关系，下垂控制可以分为P-f/Q-U下垂控制与P-U/Q-f下垂控制，其中运用于并网工况下最常见的时P-f/Q-U控制。当频率高于额定频率时，说明电网有功供过于求，这时需要减少有功输出来进行平衡，而当功率低于额定频率时，说明有功低于负载要求，这是需要增加有功输出，这就是一次调频和P-f/Q-U对电网频率电压支撑作用原理。当电网电源包括并网逆变器具有一次调频的特性时，才能对电网电压频率进行支撑。下垂控制对于输出频率和输出电压幅值是解耦控制的，分别由有功功率控制其输出频率，由无功功率控制其输出电压幅值。其P-f/Q-U下垂控制特性如图1.6。图1.6P-f/Q-U下垂控制特性其中两条直线的斜率分别为有功功率频率下垂系数以及无功功率电压幅值下垂系数，值得一提的是，由于电网稳定性，其下垂特性适用范围应在频率和电压幅值波动在小范围内。在逆变器运行于单机带额定负载的工况下，逆变器输出额定功率并运行于额定频率和电压。而当负载增加时，功率外环检测到有功输出增加，按照下垂控制特性曲线，逆变器输出频率将降低，由此逆变器将工作于新的稳定点，即处于输出有功上升，输出频率下降的工况；无功功率和电压幅值的调节也于上述类似。在多台逆变器并联工况下，由于所有逆变器频率最终将稳定于同一点，系统的下垂系数将为每一台逆变器下垂系数之和。若此