分布式发电系统并网逆变器的无功控制策略①

李 晶

(沈阳工程学院电气工程系， 沈阳 110136)

分布式发电系统并网逆变器的无功控制策略①

李 晶

(沈阳工程学院电气工程系， 沈阳 110136)

通过研究分布式发电系统并网逆变器的无功控制策略，建立了三相电压型并网逆变器的数学模型，进而针对有功、无功独立调节的要求，提出了基于两相旋转坐标系下的同步PI电流控制的控制方案，它由两个双环控制模型构成，采用电压外环和电流内环的结构，电压外环的作用主要是控制逆变器直流侧电压，电流内环按电压外环的输出的电流指令进行电流控制。通过仿真和实验分析表明，所提出的结构不仅实现无功独立控制，还能提高并网电流质量。

分布式发电； 无功控制； 逆变器； 同步PI电流控制

分布式发电DG(distributed generation)指的是直接接入配电网或用户侧的发电系统，功率等级一般在几十千瓦到几十兆瓦之间。由于DG具有投资少、见效快、灵活可靠的优点并能避免电网断电损失，因而受到越来越多的重视[1～3]。

鉴于配电网规划与运行的现状，IEEE建议中小容量的DG接入电网后，应避免主动参与电压控制[4]。但是分布式发电系统的引入，必然会改变配电网的潮流分布，从而对节点电压、网络损耗等产生重大影响，同时对电力系统继电保护和电能质量也会有影响[5]。因此，研究大量DG接入配电网后对潮流，电压，保护及电能质量等方面的影响及控制措施，以及含有DG的配电网的电压优化控制，成为近年来的研究热点。

三相电压源逆变器VSI(voltage source inverter)被用做分布式发电并网，除了传送有功功率外，同时还具备一定无功补偿、有源滤波等功能。由于分布式发电通常不能调节耦合点PCC(point of common coupling)的电压，因此并网系统的电能质量主要取决于输出电流的质量。为了能够给电网提供高质量的电能，并网逆变器的电流控制发挥了重要的作用[6]。

用于VSI逆变器的电流控制策略已有很多报道[6～9]。电流控制策略一般有着相同的结构，包括一个电流反馈的内环，以实现电流误差补偿和脉宽调制PWM(pulse width modulation)。在现有电流控制策略中，基于电压空间矢量调制的电流控制器被广泛应用，它是一种线性的控制策略，并且能够有效的分离电流误差补偿和PWM部分[10]。但该策略是一种开环结构的电压型控制，当对于电网电压的波动以及分布式发电最大功率点跟踪的要求而设定并网电流参考时，此类控制器往往无法满足分布式发电并网的要求。另外为了对电力系统无功功率进行补偿，分布式发电希望能够满足对系统有功功率和无功功率的独立解耦控制，而该方法还无法完全实现对有功、无功独立调节。

本文建立了分布式发电系统并网逆变器的数学模型，基于两相旋转坐标系下的同步PI电流控制，研究了其有功、无功解耦控制方法，它由两个双环控制模型构成，采用电压外环和电流内环的结构，电压外环主要作用是控制逆变器直流侧电压，电流内环主要作用是按电压外环的输出的电流指令进行电流控制。这种结构可以较大程度改善并网电流的波形质量，且在系统给定参数发生改变的情况下，可以使系统具有很强的鲁棒性。文中最后进行了仿真和实验分析，验证了该方案的有效性。

1 两相旋转坐标系(d-q)下并网逆变器的数学模型

三相静止对称坐标系中的一般数学模型，交流侧均为时变交流量，不利于控制系统设计。本文采取等量变换的方式将PWM逆变器三相对称静止坐标系的数学模型转换成在两相垂直静止坐标系(α-β)下。两坐标系的位置关系见图1。

图1 三相静止坐标系(a-b-c) 到两相垂直静止坐标系(α-β)变换

若X与α轴间相角为θ，则经过变换以后，矢量X从(a-b-c)坐标系到(α-β)坐标系下的变换为

(1)

两项静止坐标系到两项旋转坐标系的坐标变换矩阵为

(2)

联合式(1)和式(2)，可以得到

(3)

将一般数学模型按照式(1)进行变换，从而得到两相同步旋转坐标系(d-q)中的数学模型，其模型结构如图2所示。

(4)

(5)

(6)

图2 两相静止坐标系下PWM整流器数学模型

基于以上对三相电压型PWM逆变器d-q模型的建立，可构建双环三相PWM电压型整流器，其基本控制思想是：由直流电压控制环节产生输入电流参考幅值，由锁相环节检测电压源电压相位，根据输入功率因数要求进行移相后得到输入电流的参考相位，由电流参考幅值和参考相位结合得到参考电流，然后通过控制开关器件的通断改变三相桥交流侧电压，迫使输入电流跟随其参考值变化，从而起到控制输入电流波形及无功控制的目的。

2 并网逆变器的控制系统设计

2.1 同步PI电流控制

同步PI电流控制优点明显：采用同步坐标系下控制，可实现有功/无功电流解耦控制，有功/无功功率独立调节；采用PI调节器可以实现无静差调节，能够获得较好的动静态特性；开关频率固定等。同步PI电流控制原理见图3。

图3 同步PI电流控制原理框图

电流内环实现网侧正弦波电流控制，由于采用同步旋转坐标系控制结构，三相对称的交流电网电压和交流电流变换到同步旋转坐标系中成为直流量，因此电流内环采用PI调节器可以实现无静差调节。为了实现无功分量的独立控制，将电网电动势的空间矢量与q轴定向，电流内环按电压外环的输出的电流指令进行电流控制。

2.2 电流内环控制系统设计

可按文献[6]中典型Ⅰ型系统设计电流调节器。令vq=vdcsq，vd=vdcsd，代入式(5)和式(6)，则两相同步旋转坐标系(d-q)中的数学模型可以表达为

(7)

式中：ed和eq为电网电动势矢量E的d、q分量；vd和vq为交流侧电压矢量V的d、q分量；id和iq为交流侧电流矢量I的d、q分量。

为了消除d、q轴电流之间的耦合项，同步PI电流控制中常采用前馈解耦控制策略，电流环调节器采用比例积分调节器，控制方程为

(8)

(9)

令(Ki,P+Ki,I/s)=Ki,P(τis+1)/τis，得到解耦的简化电流环结构如图4所示。

图4 d轴无功电流环简化结构

2.3 电压外环控制系统设计

当电网电动势矢量E定位在q轴方向时，eq=Em，ed=0。假设三相电流对称，则三相交流电感上的瞬时功率为零，根据式(3)得到直流电压和交流电流的关系表达式为

(10)

不考虑负载扰动，有功电流和直流电压的传递函数表达式为

(11)

令PI调节器控制方程

(12)

已知电流环闭环传递函数ωci(s)=1/(3Tss+1)，并考虑直流电压采样延迟(e-Tss)，可近似为1/(Tvs+1)=1/(4Tss+1)。简化后的电压环控制结构如图5所示。

图5 电压环控制结构图

3 仿真和实验分析

为了验证本文所提出的无功控制策略的性能，采用Matlab Simlink仿真平台对并网系统进行了计算机仿真。采用的仿真参数如下：S=1.5 kVA，E=220 V，f=50 Hz，Vdc=350 V，fS=2 kHz，L=7 mH，C=560 μF。仿真模型如图6所示。

图6 仿真模型

图7为整流器系统工作在1 kW有功功率下，调节无功功率给定得到的交流电压电流、直流电压和有功无功功率的仿真波形。系统在0.1 s时刻吸收500 var感性无功功率；在0.2 s时刻无功功率为零；在0.3 s时刻发出500 var容性无功功率。

(a) 交流电压

(b) 交流电流

(c) 直流电压

(d) 有功无功功率

图8 PWM变流器的主电路图

实验系统主电路元件参数选择见表1。

表1 实验系统主电路元件参数

图9为带负载情况下突加无功的系统动态响应。无功给定是直接由操作面板的开关控制施加的。直流负载功率为900 W，无功功率给定为650 var。图9(a)中由无功调节引起的直流电压波动很小，约3%左右，交流电流峰值从纯有功电流5 A快速达到6 A稳定值，输出无功功率对总的电流值增加不大。图9(b)反映动态过程中有功/无功电流及其给定的变化情况。d轴无功电流给定在0.25 s时刻阶跃为3.4 A，无功电流快速跟随并产生40%超调量，调节时间为50 ms。图中q轴有功电流在无功调节过程中同样存在一定的波动，但幅度较小，起到提高并网电流质量的作用。

(a) 直流电压与交流电流输出波形

(b) d轴和q轴电流输出波形

4 结语

本文研究了分布式发电系统并网逆变器的无功控制策略，主要建立了三相电压型并网逆变器的数学模型，针对有功、无功独立调节的要求，采用同步PI电流控制的控制方案，它主要由两个双环控制模型构成，分别都是电流外环电压内环的结构。通过实时检测并网电流和电网电压的波动，有效设定有功电流和无功电流的参考值，能够很好地补偿并网电感电压信号，有效地补偿PWM的调制波信号。在此方案的基础上进行了仿真和实验分析。结果表明，采用PI同步电流控制可以很好地对无功进行独立调节。

[1] 胡学浩(Hu Xuehao). 分布式发电(电源)技术及其并网问题(Distributed generation (power) technology and grid)[J].电工技术杂志(Electrotechnical Journal), 2004, (10): 1-5.

[2] 吴汕，梅天华,龚建荣,等(Wu Shan, Mei Tianhua, Gong Jianrong,etal).分布式发电引起的电压波动和闪变(Voltage fluctuation and flicker caused by distributed generation)[J].能源工程(Energy Engineering), 2006, (4):54-58.

[3] 李蓓，李兴源(Li Bei, Li Xingyuan).分布式发电及其对配电网的影响(Distributed generation sources and their effects on distribution networks)[J]. 国际电力

(International Electric Power for China),2005, 9(3): 45-49.

[4] Ackermann T, Andersson G, Soder L. Distributed generation: a definition[J].Electric Power Systems Research, 2001, 57(3): 195-204.

[5] 白志范，孔祥天，喻繁辉(Bai Zhifan, Kong Xiangtian, Yu Fanhui). 基于DSP和空间矢量调制的三相功率因数校正器(A PFC stage of three phase power supply based on DSP and space vector modulation)[J].电力电子技术(Power Electronics)，2005，39(5)：88-90.

[6] 周维来,官二勇(Zhou Weilai, Guan Eryong).风电并网逆变器用有无功功率解耦控制的矢量控制策略(Novel vector control strategy with active and reactive power decoupling control for wind power grid-connected inverter)[J].变频器世界 (The World of Inverters), 2007, 23(8):51-55.

[7] 尚磊,孙丹,胡家兵,等(Shang Lei, Sun Dan, Hu Jiabing,etal).三相电压型并网逆变器滑模变结构直接功率控制(Sliding mode variable structure based direct power control of three-phase grid-connected voltage source inverters)[J].电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems), 2010, 34(14) :79-83.

[8] 杨勇,阮毅,吴国祥,等(Yang Yong,Ruan Yi, Wu Guoxiang，etal).基于DPWM1的无差拍解耦控制的三相并网逆变器(Deadbeat decoupling control of three-phase grid-connected inverters based on DPWM1)[J].电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society), 2010, 25(10): 101-107.

[9] 张强,刘建政,李国杰(Zhang Qiang, Liu Jianzheng, Li Guojie).单相光伏并网逆变器瞬时电流检测与补偿控制 (Instantaneous current detection and compensation of single-phase photovoltaic grid-connected inverter)[J].电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems), 2007, 31(10): 50-54.

[10]窦伟,徐正国,彭燕昌,等(Dou Wei, Xu Zhengguo, Peng Yanchang，etal).三相光伏并网逆变器输出电流波形控制技术研究(Study of three phase grid-connected inverter output current waveform control scheme)[J].太阳能学报(Acta Energiae Solaris Sinica),2007, 28(11): 1262-1265.

ReactivePowerControlofGrid-connectedConverterinDistributedGenerationSystem

LI Jing

(Department of Electrical Engineering， Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110136, China)

With the research on reactive power control of grid-connected converter in distributed generation system, a mathematical model of voltage-source line-connected inverter was built. And for active and reactive independent regulation, a strategy with synchronous current PI control based on two phase rotation coordinate was proposed, which consists of double-loop control model, voltage for outer loop and circuit for inner. The main function of outer loop is the voltage inverter control DC side, and the inner loop is to perform current control with the current output of outer loop. Simulation and experimental results showed that the proposed strategy not only realizes independent control of reactive power, but also improve the quality of current.

distributed generation(DG)； reactive power control； inverter； synchronous current PI control

2010-03-21

2010-10-23

TM711

A

1003-8930(2011)01-0155-05

李 晶(1964-)，女，副教授，研究方向为电力系统自动化。Email:lijing@sie.edu.cn