准比例谐振-准比例谐振-准比例谐振-准比例谐振控制的中点钳位式光伏并网逆变器控制策略

准比例谐振-准比例谐振-准比例谐振-准比例谐振控制的中点钳位式光伏并网逆变器控制策略

0电平并网变压器近年来，作为一种新型能源，太阳能受到世界各国的高度重视，太阳能发电技术已成为研究的重点。并网逆变器是连接光伏电池和电网的接口设备,是光伏发电的关键设备。在中高压大功率发电领域,三电平逆变器具有比传统的两电平逆变器开关器件承压低、电压变化率小、并网电流谐波畸变率低、可在低开关频率下工作等突出优势。本文重点研究中点箝位式(neutralpointclamped,NPC)三电平光伏逆变器的并网控制策略。由于传统的比例积分(proportionalintegral,PI)控制器无法在静止坐标系下实现交流信号的无静差跟踪,常用的三电平并网逆变器控制策略主要为基于电网电压定向的矢量控制(voltageorientedcontrol,VOC)和直接功率控制(directpowercontrol,DPC)。文献提出的VOC策略在dq坐标系下实现了电流的无静差跟踪,但动态响应较慢,需要多次坐标变换和前馈解耦;文献中基于开关表的直接功率控制虽然控制算法简单,响应速度快,但开关频率不固定,不利于滤波器的设计;为提高控制性能,文献提出了基于空间矢量的直接功率控制(directpowercontrolbasedonspacevectormodulation,DPC-SVM)策略,它结合了矢量控制和直接功率控制的优点,但仍然需要繁琐的坐标变换和功率前馈解耦,算法复杂,不利于工程应用。为此,本文提出了一种基于三单相准比例谐振(quasi-proportionresonant,Quasi-PR)控制的NPC三电平光伏逆变器的并网控制策略。利用Quasi-PR控制器能够在静止坐标系下实现对交流信号的无静差跟踪特点,实现了三电平逆变器的简单高效并网控制;避免了坐标变换,无需解耦控制和前馈补偿。为抑制电网不平衡时并网电流中较大量的谐波电流,本文进一步设计了基于Quasi-PR控制的分次谐波补偿器,有效实现了此时电流中主要存在的低次谐波电流补偿。1交流时保护电路动物三相NPC三电平并网逆变器的拓扑结构见图1。图1中:ea、eb、ec为三相对称电网电压;ia、ib、ic为三相交流并网电流;Rs、Ls分别为电网侧的等效电阻和电感;Udc1、Udc2分别是直流母线侧电容C1、C2的电压值;Udc为直流母线总电压。电容中点o与电网中性点N之间的电压为UoN。引入开关函数Si(i=a,b,c),定义为:若Si1、Si2导通,Si3、Si4关断,记Si=1;若Si2、Si3导通,Si1、Si4关断,记Si=0;若Si3、Si4导通,Si1、Si2关断,记Si=-1。由于稳态时Udc1和Udc2几乎相等,则可等效为Udc1=Udc2=Udc/2。根据基尔霍夫定律可得并网逆变器在abc静止坐标系下的数学模型为由于PI控制器无法实现交流信号的无静差跟踪,大量的研究方法是通过坐标变换建立并网逆变器在dq旋转坐标系下的数学模型。但这些方法中系统存在耦合项,控制繁琐。由此本文采用了Quasi-PR控制器,它在静止坐标系下便能实现交流变量的无静差跟踪,无需坐标变换和解耦控制。显然这简化了系统控制难度,体现了本文所提策略的优越性。2quasi-pr控制器kp、ki、uf7c传统PR控制器的主要不足之处是带宽窄,当电网频率发生变化时,它很难实现无静差跟踪。为此,本文采用具有较大带宽的Quasi-PR控制器,从而增强了抗电网频率偏移能力。其传递函数为式中:Kp、Ki分别为比例系数和积分系数;ω0为谐振频率;ωc为截止频率。当Kp=5、Ki=100、ω0=100πrad/s、ωc=10rad/s时,波特图如图2所示。分析图2可知,Quasi-PR控制器有较大的带宽,当频率偏移时仍能有较大的幅值增益。尽管在角频率ω=ω0处控制器的幅值不是无穷大,但可以通过合适的调节Ki从而达到控制目标。在逆变器的并网控制中,基于Quasi-PR控制器的系统控制框图如图3所示。图3中:i*(s)、i(s)、e(s)分别表示参考电流、并网电流和电网电压;KPWM(s)=Kpwm/(Tpwms+1),它表示PWM模块的一阶惯性环节,其中Kpwm、Tpwm分别表示逆变器的增益和延迟时间;Gf(s)=1/(Lss+Rs)。由图3可得在谐振频率处,即当s=jω0时,GQPR(s)的幅值远大于1,则式(3)等号右端两项分别趋近于i*(s)和0,由此可得i(s)=i*(s)。显然,利用Quasi-PR控制器可以实现交流变量的无静差跟踪;同时避免了电网电压的干扰,增强了系统的鲁棒性。为选择合适的调节参数,保持Kp、Ki、uf077c中的2个参数不变,改变另外一个,所得的各参数变化对频率特性影响的波特图如图4所示。图4(a)表明,Kp越大,非谐振频率处的幅值越大,谐振频率处增益不明显,系统相位角随着Kp的增大而减小,合理选择Kp可保持系统良好的稳态性能和抗干扰能力;图4(b)表明,随着Ki增大,带宽没有影响,谐振频率处增益随之越大,Ki主要决定系统的稳态误差;图4(c)中,uf077c主要影响系统带宽,选择合适的uf077c可增强系统的抗电网频率偏移能力。3三单quasip控制光网络管理系统3.1并网控制模型基于三单相Quasi-PR控制的三电平光伏并网控制系统如图5所示。本文研究的光伏发电系统采用2级式,前级为boost升压电路,其中C、L分别为直流母线支撑电容和升压电感。采样光伏电池的输出电压、电流分别为Upv、Ipv,并调节boost电路的占空比,从而实现光伏电池的最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking,MPPT)。后级为三电平逆变器的并网控制,也是本文研究的重点。与传统基于电网电压定向的矢量控制方法不同,本文引入Quasi-PR控制器,无需复杂的坐标变换,在静止坐标系abc下即可实现交流电流的无静差跟踪控制。具体控制策略描述为:本文对三相分别进行独立控制,简称三单相控制,每相都采用了电压外环和电流内环双闭环控制结构。以a相控制为例,外环中,直流电压给定值Udc(9)和电压瞬时值Udc相减后经过PI调节器作为a相电流内环给定电流幅值Ia,电网电压通过锁相环(phase-lockedloop,PLL)获得给定电流的相位角,两者相乘后再减去由比例系数k获得的直流偏移量,由此获得给定电流值ai(9);内环中,给定电流和瞬时电流通过Quasi-PR控制再经过三电平正弦脉宽调制(sinusoidalpulsewidthmodulation,SPWM)获得开关管触发信号,从而实现对给定电流的无静差跟踪。3.2谐波补偿控制结构光伏发电的并网电流质量是控制系统的主要控制目标之一。尤其当电网不平衡时,并网电流中的谐波含量将大大增加,此时抑制并网电流谐波是控制系统重点考虑的问题之一。为此本文利用Quasi-PR控制器具有比传统方法更为简单易实现的谐波补偿性能,针对此时电网中主要存在的3、5、7次谐波设计了相应的谐波补偿器。各次谐波补偿器可表示为式中:h=3、5、7;Kih、ωch分别为各个谐波补偿器的积分系数和截止频率。基于Quasi-PR控制对3、5、7次谐波电流加以补偿的控制结构如图6所示。图7为基波频率及3,5,7次谐波频率对应的多重Quasi-PR波特图。显然各次谐波补偿器只在各自的谐振频率附近发生谐振响应,远离谐振点处不产生谐振,且不同谐波补偿器之间影响较小。因此只要在原有Quasi-PR控制器的基础上直接叠加h次谐波补偿器即可实现对h次谐波的补偿。3.3sa1、sa2控制方式对于NPC三电平逆变器,本文采用同相双载波调制方式。调制原理见图8,其中,ur表示调制波,Uc1、Uc2分别表示上载波和下载波;以a相为例,Sa1、Sa2、Sa3、Sa4分别对于a相桥臂4个开关管。具体控制方式为:若ur>Uc1,则Sa1导通,Sa3关断;反之Sa1关断,Sa3导通。若ur>Uc2,则Sa2导通,Sa4关断;反之Sa2关断,Sa4导通。由此可获得4个开关管的脉冲信号。3.4电平svpwm模块中心点平衡是三电平逆变器中必须要考虑的问题,否则很可能出现开关器件因受压过高而损坏等一系列问题。传统的控制策略中,常用的方法是在三电平SVPWM模块的基础上,通过调节具有冗余关系的正负小矢量的作用时间从而实现上下电容的平衡控制。但该方法控制繁琐,实现较为困难,不利于工程实际应用。因此本文设计的三电平中性点平衡控制策略如系统控制框图5所示,在双闭环控制基础上,引入比例系数k,将上下电容电压之差反馈到给定电流值以此实现电容电压平衡控制。4中性点平衡策略验证为验证所提控制策略的正确性与优越性,本文使用Matlab/Simulink仿真软件对基于三单相Quasi-PR控制的三电平光伏并网逆变器进行仿真研究。搭建了基于三电平NPC型逆变器的10KW光伏发电控制系统,系统仿真参数见表1。理想电网情况下仿真结果见图9。分析图9(a)可知,稳态时,系统并网电流和电网电压实现了单位功率因素控制;图9(b)中直流母线总电压稳定在700V,上下电容电压稳定在350V,证明了本文采用的中性点平衡策略的正确性;图9(d)表明采用Quasi-PR控制可在静止坐标系下实现交流电流的无静差跟踪,控制算法得到了大大简化。采用三单相Quasi-PR控制的三电平光伏并网逆变器不仅具有良好的稳态性能;当电网频率发生偏移时,Quasi-PR控制同样具有良好的抗扰动能力。图10为Quasi-PR控制器和传统的PR控制器在电网频率偏移为50.5Hz情况下的电流跟踪波形图。显然,当电网频率偏移时,Quasi-PR控制器依旧能够实现给定电流的无静差跟踪,而传统PR控制器则产生了跟踪偏差。图10表明了Quasi-PR控制器克服了传统PR控制器的带宽窄、抗电网扰动能力差的缺点,这充分体现了本文所提策略的优越性。为验证Quasi-PR控制的谐波补偿能力,图11(a)、(b)为电网电压不平衡情况下分别采用不带谐波补偿的Quasi-PR控制器和带谐波补偿的Quasi-PR控制器时a相电流频谱分析图。显然,分析图11可知,不带谐波补偿器时并网电流中含有较高的3、5、7次谐波含量。采用本文设计的基于Quasi-PR控制的谐波补偿器后,3、5、7次谐波电流得到了很好的抑制。5quasi-pr控制器的优势本文引入Quasi-PR控制器提出了一种新型的NPC三电平光伏并网逆变器控制策略。Quasi-PR控制器不