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正弦波逆变电源在基于CPT理论和重复控制下如何实现多功能并网?

智能电网教育部重点实验室(天津大学)的研究人员靳伟、李永丽等,在2018年第18期《电工技术学报》上撰文,针对具有电能质量治理和功率输出功能的三相三线制多功能并网正弦波逆变电源,提出在两相静止坐标系下基于CPT功率理论的改进电能质量补偿分量计算方法,实现在并网点电压畸变情况下不引入锁相环,提取负荷电流中的谐波、无功和不平衡分量。

为实现对负荷电流补偿分量跟踪输出以及在畸变电压干扰下的输出电流控制,同时简化电流内环控制器结构,采用H∞重复控制理论设计正弦波逆变电源输出电流控制环。由于多功能并网正弦波逆变电源在运行中,控制环节稳定性受到本地负荷以及并网点线路阻抗的影响,基于由CPT理论构建的一般负荷模型,提出适用于复杂负荷以及线路阻抗接入情况下的H∞ 重复控制系统稳定性分析方法。最后在硬件实验平台上对所提出多功能并网正弦波逆变电源控制策略进行了验证,实验结果表明其有较好的电能质量治理能力。

分布式发电技术是可再生能源利用的重要方式。其中,电压源型并网正弦波逆变电源由于结构简单、控制灵活,被广泛作为光伏、风电等分布式电源接入中低压配电网的接口。相比于输电网,配电网由于直接与用户连接,所接入负荷种类多,波动性大;特别是随着越来越多电力电子设备的接入,导致配电网中存在各种电能质量问题[1,2]。

这些电能质量问题给分布式电源并网系统的运行带来了挑战[3]。另一方面,由于分布式电源出力具有一定间歇性,导致作为并网接口的正弦波逆变电源存在功率闲置情况。因此在并网正弦波逆变电源控制系统中增加电能质量治理环节构成多功能并网正弦波逆变电源,实现对电能质量问题的主动治理逐步成为研究的热点[4-6]。

在分布式发电系统中,正弦波逆变电源在并网运行时通常工作在电流源模式下。其通过电流控制环控制正弦波逆变电源输出电流跟踪给定的参考值,实现对正弦波逆变电源输出功率的控制[7]。多功能并网正弦波逆变电源在传统正弦波逆变电源控制系统的基础上,引入对负荷电流中的谐波、不平衡和无功分量的检测和提取环节。

通过将计算结果叠加到电流环参考值中,利用正弦波逆变电源输出电流实现对负荷电流中上述分量的补偿,避免其流入电网进而影响并网点电能质量[8]。因此在多功能并网正弦波逆变电源控制系统中,输出电流控制和负荷电流补偿分量的提取是影响其性能的关键环节。

在多功能并网正弦波逆变电源中,由于输出电流的参考值中叠加了谐波分量,电流控制器需要有跟踪谐波频率参考值的能力。因此传统的旋转坐标系下比例积分(Proportional-Integral, PI)控制不再适用。而由于负荷电流中谐波种类的广泛性,采用多比例谐振(Proportional-Resonant, PR)并联控制器[9],需要在控制器中并联多个谐波频率的谐振控制器对参考电流中的谐波分量进行跟踪,这会导致控制系统结构更加复杂。

基于内模原理的重复控制器因能在基频及其整数倍谐波频率处引入较高开环增益而不用增加额外计算量[10],所以适用于多功能正弦波逆变电源电流控制。文献[11,12]中,采用H∞ 重复理论设计的重复控制器结构得到进一步简化。但考虑到非线性和不平衡负荷接入以及并网线路阻抗的影响,基于H∞重复控制器的电流控制环节在复杂并网环境下的稳定性还缺少研究。

在负荷电流补偿分量提取方面,目前广泛采用基于DQ变换的方式实现对负荷电流的分解。其利用锁相环(Phase-Locked Loop, PLL)取得并网点电压相位,基于电压相位对电流进行DQ变换,以计算负荷电流中的待补偿分量[13,14]。这一方法虽然可以实现电流分量的动态提取,但当并网点电压受区外故障、干扰或本地负荷和线路阻抗影响产生畸变时,其提取精度受到锁相环性能的影响。

此外,文献[15]指出,采用这一补偿方式,在电压存在特定频率畸变时,可能会导致补偿装置与相近的电容之间产生谐振。因此,基于CPT功率理论的电流分量提取方法开始被应用于电能质量治理设备中[16]。CPT理论基于功率定义,给出在时域进行电流正交分解的方法,避免了锁相环的引入[17]。但其实现过程需要占用较多硬件空间[15]。

综上所述,本文采用CPT算法和H∞ 重复控制器构成多功能并网正弦波逆变电源的控制系统,避免锁相环对于电能质量治理环节的影响,同时简化电流内环结构。在设计控制器时,首先证明了在三相三线制系统中,于两相静止坐标系下利用CPT算法实现负荷电流补偿分量提取的可行性,减少了负荷电流补偿分量提取算法实现时所需存储空间,简化了计算流程。其次针对采用H∞ 重复控制器的电流控制内环,提出采用考虑本地负荷和线路阻抗情况下的稳定性分析方法。

针对复杂负荷接入的情况,基于CPT功率理论一般负荷模型给出了控制系统内环稳定性分析实例。根据所设计的控制系统和稳定性分析结果,搭建多功能并网正弦波逆变电源硬件平台,在非线性和不平衡负荷以及并网线路阻抗接入的情况下验证本文提出控制算法的稳态和动态特性。实验结果证明,所提出多功能并网正弦波逆变电源控制系统能有效实现对并网点电能质量的治理。

图1  考虑本地负荷和线路阻抗的并网正弦波逆变电源系统
正弦波逆变电源在基于CPT理论和重复控制下如何实现多功能并网?

图9  实验装置
正弦波逆变电源在基于CPT理论和重复控制下如何实现多功能并网?

结论
针对三相三线制多功能并网正弦波逆变电源,本文验证了在两相静止坐标系下,基于CPT功率理论实现负荷电流补偿分量提取的可行性。利用CPT理论所构建一般负荷模型,针对采用H∞ 重复控制器的电流内环,提出考虑本地负荷和线路阻抗的稳定性分析方法。

实验结果验证了所提出电流控制环节稳定性分析方法的有效性,也证明了本文提出的多功能并网正弦波逆变电源控制算法可以有效实现对本地负荷电流中的谐波、不平衡和无功分量的补偿。
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