协调控制的发电逆变器的功率/电流在电网不平衡条件下基于PCI控制器

文摘

逆变器的振荡输出功率和畸变电流将发生在电网电压不平衡故障的情况。当前恒定输出功率和良好的质量不能同时实现。针对这些问题,协调控制策略,提出了抑制功率波动和谐波电流通过分析瞬时功率控制和电流平衡控制。提出的控制是通过调节当前参考的权重系数值来改变当前的谐波内容基于比例积分(PCI)复杂控制器和多个复杂的积分比例(PMCI)控制器。用一个简单的控制结构的控制策略既不需要检测逆变器电流的谐波分量,也不需要单独的电压和电流的积极的和消极的成分,这很容易实现。提出控制方法的可行性和有效性进行了验证,仿真的比较和分析。

1。介绍

全球气候问题的日益严重,主要不可再生资源被消耗,可再生能源的发展吸引了太多的关注。在众多可再生能源,风力发电的装机容量逐年增加,由于资源丰富,工业基础好,和低环境污染。并网逆变器,并网风力涡轮机之间的接口和大规模能量存储系统,起着重要的作用在风力发电并网控制系统(1- - - - - -4]。并网逆变器的操作是容易不平衡电网电压。电压不平衡的原因是多方面的:大功率单相负载的干扰,单相负载的不平衡分布在网格和单相负载的随机性,等等。5,6]。逆变器的振荡输出功率和畸变电流将发生在不平衡电网故障(7,8]。如果有一个严重的三相电流谐波失真,它可能不符合IEEE标准Std.1547官,目前是5%以上。因此,重要的是要研究发电逆变器的控制策略在电网电压不平衡,具有重要意义的稳定和高效的操作系统。

许多的发电逆变器控制策略提出了在电网电压不平衡(5,6,9- - - - - -20.]。传统的控制策略是积极和消极的双重电流矢量控制序列参考帧,和这种方法应用于9- - - - - -11),通过控制电压和电流的积极的和消极的成分,消除有功功率振荡。但这种控制目标的实现是基于负序电流注入,这将不可避免地导致三相逆变器电流谐波失真,和无功功率振荡并没有消除。为了获得恒定的输出活动和反应能力,提出了一种控制方案,利用谐振补偿法没有考虑逆变器电流的畸变12- - - - - -14]。一个有趣的控制方法,利用积极的和负序分量,提出了在15)生成当前引用值来降低电网电压的不平衡。但这种方法主要是针对当前的质量;功率振荡的问题还没有被解决在不平衡电网电压。三大控制目标,旨在抑制有功功率振荡,无功功率振荡,和消极的当前组件,提出了一种权力的协调控制和电流(16,17)在当前引用统一通过引入系数,实现和协调控制通过调整系数。然而,该方法需要正负序分离和复杂的参考系变换。此外,该方法包括大量的PI控制器和参数调优并不容易实现。为了减少控制的复杂性,目前的引用协调控制可以获得静止的参考系(5,6,18,19]。提出了一种方案(20.),分析了功率波动和谐波电流大小定量。陷波滤波器用于控制和输出功率和电流质量的协调控制是通过使用加权的概念实现的。控制策略可以减少逆变器电流的谐波含量。然而,由于引入电流负序分量的计算参考,不能获得平衡三相电流。

本文介绍了瞬时功率控制和电流平衡控制,当电网电压不平衡。两者之间的基本关系讨论了控制策略和谐波电流产生的原因进行了分析。在此基础上,提出了一种新颖的控制策略,利用PCI和PMCI控制器来控制逆变器电流。介绍了权重系数在当前引用改变逆变器电流的谐波含量,抑制功率波动的协调控制和电流平衡是实现。提出控制不需要复杂的参考系变换,正/负序列提取计算,陷波滤波器,方便实现静止的参考系。

本文的组织结构如下:部分2制定发电逆变器的模型。部分3分析了传统控制方案和两种传统控制方案之间的关系。部分4分析了提出协调控制策略在电网电压不平衡。部分5显示仿真结果在不同情况下电网电压不平衡时,验证该方案。部分6本文总结道。

2。模型的发电逆变器

图1显示了发电逆变器的拓扑结构。 , ,和电网电压, , ,和并网逆变器的输出电压,和分别是电感和电阻,然后呢直流母线电压。

发电逆变器的控制结构如图2。将传输到电网通过电压和电流的有效控制。

3所示。传统的控制策略

3.1。在电网电压不平衡电压表达式

三相不平衡电网电压可以表示为 在哪里和是积极和消极的振幅组件的电压;和是积极和消极的初始阶段角度组件,分别;电网频率。

可以转化为不平衡电网电压静止的参考系如下: 在哪里

3.2。瞬时功率控制策略

基于瞬时功率理论,有功功率和无功功率可以表示为 在哪里和当前的组件吗分别固定框架。

的引用和 ,当前的引用值可以计算如下:

从(5),目前引用瞬时功率控制可以获得如下: 在哪里和有功电流组件吗 - - - - - -轴和 - - - - - -轴,分别;和无功电流分量。

用(2)(6),分母(6)可以表示为

它可以知道 在不平衡电网电压,所以的存在 术语(7)将导致大量的谐波电流。

基于上述分析,可以看出,瞬时功率控制可以维持一个恒定的输出功率,但有严重的逆变器电流的谐波失真。

3.3。电流平衡控制策略

为了获得平衡的三相逆变器电流,必须消除负序电流分量,和当前的引用在当前平衡控制策略可以获得如下: 在哪里 , 和 , 分别是活跃的和无功电流分量。

可以看出,当前的引用不含谐波计算,可以获得和正弦逆变器电流平衡。应该注意的是,消除负序电流分量,但负序电压分量仍然存在于电压,当电网电压不平衡。负序电压组件之间的交互和正序电流分量将导致倍频输出功率波动。

3.4。对两种控制策略的分析

基于上述分析,众所周知,瞬时功率控制或电流平衡控制不能同时实现逆变器电流恒定输出功率平衡。

为了分析当前引用之间的关系在两种控制策略下,假设初始相位角 。首先,有功电流分量 - - - - - -讨论了轴为例。两种控制策略下的有功电流引用表示为

从(9)和(10),可以看出是一个非正弦的周期信号,是一个基本的正弦信号。根据傅里叶理论,可以分解成基本的叠加和谐波信号如下:

系数和可以表示为 在哪里 。很明显,是奇函数, 可以根据奇函数的性质,和的基频分量可以表示为 在哪里 。

从(10)和(13),可以获得以下方程:

为了简单起见,这个结论的前提下获得的 ,但相同的结论可以通过傅里叶分解时获得的 。同样,的基本组件 , ,和可以计算,并与当前的参考电流平衡控制,可以获得当前引用的基本关系如下:

通过结合(14)和(15),可以获得当前的关系如下:

从(16),可以看出,当前引用瞬时功率控制的基本组件相当于当前参考电流平衡控制,和三相电流平衡。这是当前参考价值的基本关系之间的两种控制策略,它将为控制策略的设计奠定基础下一节。

4所示。协调控制的权力/电流控制器的设计

目前引用包括瞬时功率控制下的基波和谐波分量,相当于当前和当前基本组件引用值电流平衡控制。当前的谐波组件是由低阶谐波等第三,第五和第七次谐波等。20.]。谐波内容会影响抑制功率波动的程度和当前的平衡。因此,权力的协调控制和电流可以通过调整谐波含量三相电流瞬时功率的控制之下。分析的基础上,提出了一种协调控制方案同时控制的根本和谐波电流。基本组件的引用和谐波分量可以计算如下:

当前的瞬时功率控制中表示的引用(17),和输出活跃和无功功率引用。的价值在(18)是权重系数。如果 ,没有逆变器电流中的谐波组件,这意味着当前的平衡控制;它相当于瞬时功率控制时 。输出的主动和被动的权力是常数,但逆变器电流含有大量谐波( );控制效果之间的瞬时功率控制和电流平衡控制的影响当0 <k< 1。随着k的值增加从0到1,电流中的谐波含量会逐渐增加,但输出功率会不变。

提出的控制策略的控制结构如图3。

4.1。PCI控制器

正如上面提到的,提出的控制可以实现静止的参考系。目前基本组件的基本控制分支和谐波的谐波电流分量控制分支需要控制,分别。因此,该计划提出了基于PCI控制器(21]。

PCI控制器的传递函数可以表示为 在哪里和分别代表比例和积分系数。由于复数的传递函数的存在,它是不容易实现。根据复变函数理论,意味着振幅和相位旋转是常数逆时针方向。基于正交关系(例如,= )在参考系,复数域控制器可以实现的结构,如图4。

图5的波德图是PCI控制器。可以看出,在基本频率(即无限增益。,50赫兹),几乎没有收益的其他频段,所以逆变器电流的基波分量可以精确控制的PCI控制器。

逆变器电流的谐波分量也应该控制。提出了基于PCI控制器,PMCI控制器抑制谐波组件。

PMCI控制器的传递函数可以表示为

图6显示的波德图PMCI控制器。收益是无限的在第三、第五和第七谐波频率,而收益没有显著增加在其他频段。因此,低阶控制器可用于抑制逆变器电流中的谐波组件有效。

4.2。提出了控制的性能分析

根据上述控制方案,目前内部循环控制结构如图7,在那里,和代表基本和谐振控制器的传递函数,分别。相当于增加PWM变换器,它通常是作为吗=U_直流/ 2。代表了栅极电压。

根据图7,输出电流可获得如下: 在哪里表示输出电流之间的传递函数和参考当前的基本组件,表示输出电流之间的传递函数和参考电流谐波分量,和表示输出电流和电网电压之间的传递函数,它可以表示为

基于系统的主要参数表1,波德图输出电流之间的传递函数和不同的输入参考信号,分别如图8- - - - - -10提出了控制策略和控制性能进行了分析。

图8显示了幅频和闭环传递函数的相位频率特性曲线 。可以看出,在基本频率跟踪增益和相位的差异(即。,50赫兹)趋向于0分贝 ,分别。因此,逆变器电流跟踪参考信号的基本组件以同样的振幅。同样,振幅增益衰减很大,第三,第五,和第七谐波频率,这表明逆变器电流几乎没有跟踪参考信号的低阶谐波的能力 。

闭环传递函数的幅频和相位频率特性曲线如图9。从图可以看出,网格基本频率的增益大大减弱。相反,跟踪收益的差异,第三阶段,第五和第七次谐波频率接近0分贝 ,分别。这表明逆变器电流跟踪参考信号的谐波成分准确。然而,最基本的组成部分可以跟踪没有。同样,幅频和闭环传递函数的相位频率特性曲线如图10。电网电压等于干扰组件。从图10,跟踪收益基本和低阶谐波频率很小,和影响逆变器电流可以忽略不计。

基于叠加原理和上面的图形分析,可以看出,提出的控制可以有效地控制三相逆变器电流。的基本组件影响逆变器电流的基波分量,低阶谐波分量影响逆变器电流的低阶谐波成分。因此,该控制策略不需要检测的低阶谐波组件逆变器电流通过调整权重系数的参考电流的控制,实现谐波电流,和权力的协调控制和电流实现。

5。仿真结果

在本节中,与MATLAB / Simulink环境进行模拟。图11显示了变化的电网电压平衡条件在三种不同情况下一个不平衡的条件。图(11日)显示了30%的栅极电压电压下降阶段期间从0.1到0.5年代。图11 (b)显示了三相电压不平衡的振幅和相位偏移量。图11 (c)显示了不平衡电网电压相位时短路的在地上。

图12显示仿真结果通过使用三种不同的电压不平衡下的瞬时功率控制。从图12,可以看出输出主动和被动的权力是常数0.1 ~ 0.5年代的期间。直流环节电压相对平稳,几乎没有双频输出功率波动,但三相逆变器电流明显扭曲。以当前阶段为例,进行谐波频谱分析。可以看出,总谐波电流畸变(THD)在三个案例(即大。,10。31%, 11.39%, and 23.65%, respectively), which does not meet the THD standard of less than 5% stipulated by the IEEE Std.1547. In the three cases, the proportions of the third harmonic are reached: 10.21%, 11.28%, and 23.04%, respectively. Therefore, if the instantaneous power control strategy is adopted, the output active and reactive powers are constant, but there is a serious distortion in the inverter currents.

图13显示仿真结果通过使用电流平衡控制三种不同的情况下。从图13,可以看出有明显的波动对输出有功功率,无功功率,直流环节电压三相电压不平衡时(0.1 ~ 0.5年代)。然而,三相平衡和正弦电流。电流谐波分析的阶段,可以看出官的情况下是1.15%,1.39%,b, c和2.95%情况下;三次谐波只占0.8%,0.86%,和2.57%,分别。官结果满足标准小于5%。因此,当前的平衡控制策略可以实现当前的质量好,但输出功率大幅波动。

从数据可以看出12和13瞬时功率控制和电流平衡控制不能实现恒定输出功率和电流质量的同时,这与理论分析的结果是一致的。

图14显示使用协调控制策略的仿真结果提出了裁判。20.在三种不同的情况下)。控制方案可以判断和权衡输出功率波动和谐波电流。然而,陷波滤波器需要控制,当前引用含有负序分量,和平衡三相电流不能实现。

从图可以看出14的权重系数 0.1到0.2年代期间,逆变器的谐波电流很小,但主动和被动的力量波动很大。0.4到0.5年代期间, ,主动和被动的权力是常数,但逆变器的谐波电流相对较大。的价值增加从0到1,三相逆变器电流逐渐改变正弦曲线扭曲曲线,和输出功率的波动逐渐减少,实现权力的协调控制和电流。然而,当前曲线表明,三相平衡电流是不能实现的。仿真结果与理论分析结果一致。

图15显示仿真结果使用本文提出的控制策略。理论分析表明,当k = 0时,参考的谐波电流为零,相当于当前的平衡控制。从图15,它可以观察到输出功率波动严重期间0.1到0.2年代。然而,三相逆变器电流平衡和正弦。基于相位谐波电流频谱的分析,可以看出三个案例中的拉力很小(THD) = 1.59%, THD = 2.37%, THD) = 3.35%,分别)还有一些低阶谐波,这与理论分析是一致的。同样,0.4到0.5年代期间,k = 1,而它的本质,相当于瞬时功率控制。输出主动和被动的权力是常数,但三相逆变器电流不平衡和扭曲。在0.2 ~ 0.4年代的价值增加了从0到1,在这个阶段,仿真结果可以看出,增加时,输出功率的波动逐渐下降,电流不平衡和电流失真度的增加。仿真结果验证了理论分析。根据上述分析,输出功率和电流的协调控制可以实现通过设置在不同的应用程序的选择系数在方程(18)应该考虑电流THD和输出功率的波动基于实际应用。

为了验证活动的动态响应能力和反应能力与阶跃变化,权力和三相逆变器电流的结果在不同的情况下,如图16。在这个验证,有功功率引用了从8 kW到15千瓦0.4 s,而无功功率参考走从0千瓦到5 kW友好的电网的建设。可以看出,输出有功功率和无功功率阶跃变化在0.4 s。在这个阶段,提出控制也可以应用。作为改变从0到1,输出功率的波动逐渐减小,变形程度的逆变器电流逐渐增加。0.5秒后,电网故障消除,有功功率和无功功率几乎不变,和逆变器电流是正弦。因此,提出控制网格对理想的操作没有影响,这表明,提出的控制网格适用于理想和不平衡的条件。从图16 (c)可以看出,随着电压急剧下降,峰值输出电流的增加保持输出功率。然而,在实际应用中,应采取限流措施防止过电流的危害,研究了在(22,23]。本文不是扩展。

通过分析上述结果,控制效果比较不同控制策略下表中列出2。显然,瞬时功率控制和电流平衡控制只能控制一个目标,即:,权力或电流。所提出的控制方案在裁判。20.)和本文提出的控制可以实现权力的协调控制和电流。

为了进一步分析这两个协调控制策略下的控制性能,性能比较如表所示3。显然,如果采用该控制策略,建立时间将保持不变或增加在a和b,但其他性能指标已被证明更优越。

6。结论

摘要协调控制功率/电流不平衡电网电压下的发电逆变器进行了分析和研究。结论如下。

(1)瞬时功率控制和电流平衡控制不能满足当前同时恒功率和平衡。因此,有必要研究协调控制的权力/电流。

(2)基于瞬时功率控制和电流平衡控制的分析,基本的参考电流瞬时功率控制下的值等于当前参考电流平衡控制,而谐波电流瞬时功率控制的内容确定逆变器电流的谐波含量。因此,协调控制的权力/电流可以通过调整瞬时功率控制下的谐波含量。

(3)基本和谐波电流可以由PCI控制器和控制PMCI控制器,分别。很容易实现的静止的参考系没有复杂的参考系变换和正/负序列提取计算。

(4)提出的控制方案不需要检测低阶谐波的内容,也不需要使用陷波滤波器。很容易实现功率波动抑制的协调控制和电流平衡通过设置k在不同的条件。选择系数的最优值k是未来的研究方向和重点。

数据可用性

(1)三相电压数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。(2)电路参数(grid-side电感、电阻和直流环节电压)数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。(3)控制器参数数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是支持部分由中国陕西重点研发项目(批准号2017 gy - 061)。

引用

1. y z . Li Li h·朱、刘,p . Wang和w·徐”控制的三相boost-type PWM整流器在静止坐标系下输入电压不平衡,“IEEE电力电子,25卷,不。10日,2521 - 2530年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. g·c·Konstantopoulos和a . t . Alexandridis”全面的建模、控制和分析发电的风力涡轮机的感应发电机与连续的AC / DC / AC转换器,”IEEE电力电子,卷2,不。4、739 - 748年,2014页。视图:谷歌学术搜索
3. w .江,w .妈,王j . et al .,“赖账的控制基于当前的预测修正短时间转换器在不平衡电网电压下,“IEEE工业电子产品,卷64,不。7,5479 - 5491年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. 他j .胡锦涛和y,“建模和控制的发电voltage-sourced转换器在广义不平衡的操作条件下,“IEEE能量转换,23卷,不。3、903 - 913年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. m·卡斯提拉j . Miret j·l·索萨j .马特斯和l . g . de骆马,“Grid-fault为三相光伏逆变器控制方案可调节电能质量特色,“IEEE电力电子,25卷,不。12日,第2940 - 2930页,2010年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. j . Miret m .卡斯蒂利亚a·卡马乔l . g . De骆马和j·马塔斯”为光伏三相逆变器控制方案以减少在峰值电流不平衡的栅极电压凹陷,”IEEE电力电子,27卷,不。10日,4262 - 4271年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 郭x, w·刘,z,“灵活的功率调节和控制目前有限的发电逆变器在电网电压不平衡故障,”IEEE工业电子产品,34卷,不。5,7425 - 7432年,2017页。视图:谷歌学术搜索
8. m·卡斯提拉j . Miret a·卡马乔l . g . de骆马和j·马塔斯”建模和设计的三相逆变器电压支持控制计划操作在电网不平衡条件下,“IEEE电力电子卷,29号11日,第6150 - 6139页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. K.-H。金,研究。Jeung,华盛顿特区。李,H.-G。金,“PMSG的LVRT方案基于反馈线性化的风力发电系统,”IEEE电力电子,27卷,不。5,2376 - 2384年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. y s Suh和t . a .脂肪”控制方案在混合同步同步静止帧PWM交直流转换器在广义不平衡的操作条件下,“IEEE行业应用,42卷,不。3、825 - 835年,2006页。视图:谷歌学术搜索
11. h . s .歌曲和k,“双PWM变换器的电流控制方案在输入电压不平衡条件下,“IEEE工业电子产品,46卷,不。5,953 - 959年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 和李·g·c·d . Wang Liu,“为光伏三相逆变器控制方案以减少在峰值电流不平衡的栅极电压凹陷,”IEEE电力电子,27卷,不。10日,4262 - 4271年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. r . Teodorescu m . Liserre, p . Rodrguez网格转换器对于光伏和风力发电系统约翰•威利父子,奇切斯特,英国,2011年。
14. p·罗德里格斯,a . v . Timbus r . Teodorescu m . Liserre f . Blaabjerg,“灵活的分布式发电系统有功功率控制在电网故障期间,“IEEE工业电子产品,54卷,不。5,2583 - 2592年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. c·t·李,c·w·许,p . t . Cheng“短时间转换器的低压穿越技术的分布式能源资源,”IEEE行业应用卷,47号4、1821 - 1832年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. w·道,z顾,l .王et al。”研究电压不平衡条件下的发电逆变器控制策略,”电力电子与运动控制会议程序,第919 - 915页,2016年。视图:谷歌学术搜索
17. 吴x x, y, et al .,“简化的多目标co-control改善三相不平衡电网条件下的发电逆变器的性能,”能源、电力和交通电气化,2017年,页1 - 6。视图:谷歌学术搜索
18. 卡马乔,m·卡斯提拉,j . Miret“灵活控制三相电压支持分布式发电逆变器在电网故障下,“IEEE工业电子产品,60卷,不。4、1429 - 1441年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. e . Afshari g·r·Moradi r·拉希米et al .,“为三相短光伏逆变器控制策略使电流限制在不平衡故障,”IEEE工业电子产品,卷64,不。11日,第8918 - 8908页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. 郭x, w·刘,张x, x, z,和j·m·格雷罗州“灵活的控制策略不平衡电网故障下的发电逆变器没有锁相环,“IEEE电力电子,30卷,不。4、1773 - 1778年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. x问:郭和吴w . y”,改善电流调节三相的分布式发电系统的发电电压源逆变器,”专业可再生发电,4卷,不。2、101 - 115年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. m . m . Shabestary和联合。默罕默德,”一位分析方法获得最大允许电网支持通过使用短时间转换器,”IEEE可持续能源,7卷,不。4、1558 - 1571年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. m . Nasiri和r·穆哈马迪峰值电流限制为电网侧逆变器有功功率有限PMSG-based风力发电机在不同网格的缺点,”IEEE可持续能源,8卷,不。1、3 - 12,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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