大功率并网逆变器两种功率控制策略仿真对比分析

摘 要：大功率风力发电系统中并网PWM逆变器的控制策略和拓扑结构，分析了PWM逆变器的工作原理。提出了功率控制方式， 协调控制系统的有功功率、无功功率，并在给定参数下做了仿真对比分析，仿真结果表明， 两种功率控制方式输出电压与电流波形良好， 直流侧电压稳定， 电压控制方式更优越。

关键词：PWM逆变器 有功/无功功率 功率控制 电压控制

一、引言

新能源发电虽然有着众多的优点，但是新能源发电中的电压不稳定，传统并网过程中容易产生谐波污染等影响了新能源发电的普及和使用。如何将不稳定的新能源转换成稳定的电能供应给用户，是一项非常重要的课题。根据新能源产生电能的宽电压输入特性，研究并网对于新能源的使用有极其重要的意义。

二、系统控制结构与数学模型

如图1

图1 PWM逆变器并网拓扑结构

三、PWM逆变器两种功率方式对比仿真

电能通过PWM逆变转换器把直流电能转换为交流电能，并网输送至工频交流电网，有两种类型的功率控制特性，一种是在直流侧电压源本身恒定的情况下，直接通过调节id、iq电流，控制有功功率，无功功率的输出，这种方式为逆变器的功率控制。另一种是在控制直流侧电压稳定的基础上，调节有功功率的输出，调节电流控制无功功率的大小，这种控制方式为逆变器的电压控制。

1.逆变器的功率控制

假若PWM直流侧的直流电压在任意给定的功率范围内都比较恒定。基于上述所构成的模型，假设DC-AC变换器的直流侧电源为一理想的电压源恒定电压值Vdc=1300（V）。可通过使用外环的两个PI控制器，调节内环的id、iq的给定值，从而控制输送主回路的PWM 信号，此信号可控制全桥电路的六个开关，以达到控制输送到电网的有功功率和无功功率。

式中， ，分别为滤波电感、电阻的标么值，Vnom=380V为工频电网额定线电压的有效值，fnom=50（Hz）为工频电网的额定频率，Pnom=10（MW）为逆变转换器输出的额定功率。

电容两端电压Vdc的大小，则可依据整流器和逆变转换器的调制指数m予以调整，使m工作在0.4-0.9的适当范围。本文设置Vdc=1300（V）。

内环电流PI调节器参数的整定是一个很重要的环节，本例中整定kip=0.001，kiI=0.1。设定给定值id*=10000A，iq*=10000A。

（3.3）

为了实现有功无功电流的有效解耦，将静止三相A-B-C参考坐标转换成旋转的d-q同步坐标系中。这样空间内的状态方程可表示为：

（3.4）

其中，id、iq是d-q坐标系中的电流，Vd、Vq是逆变器输出电压在d-q坐标系中的电压，Ved、Veq是电网电压在d-q坐标系中的网侧电压。 是电网电压的基波角速度。在理想的情况下，即在三相对称的电路通过三相对称的电流，上面的所有变量都是直流量。式4是静止三相A-B-C参考坐标系转换到旋转d-q同步坐标系的转换系数。

（3.5）

将在旋转的d-q同步坐标系中，三相中有功功率和无功功率可以表示为式5，在理想的状态下 ，电网电压是严格的正弦波即没有任何谐波，如式6。

（3.6）

由于网侧电动势Ved比较恒定，有功功率P仅与id电流成正比。因此，这里有功功率的控制能够直接通过调节id电流来实现。

图2中假设电网是理想刚性电网，因此两个PI控制器的参数值可设定一致，经整定，P=0.0001，I=0.02。设需要向电网输送10MW有功功率，10MW容性无功功率，仿真结果如图3。

图3 10MW有功，10MW无功逆变器中的物理量波形

从图3中可以看出，DC-AC转换器中的id、iq解耦控制着有功功率和无功功率的输出，外环的两个PI控制器较好地控制着10MW的有功功率和10MVar的无功功率的输出，且通过滤波电感，能够给电网输送较好的三相正弦波电流iabc。调制指数m也工作在0.5-0.85的正常范围内。

2.逆变器的电压控制

假设逆变器直流侧电源是基于戴维南定律的一个理想电压源和恒定内阻的线性电源，通过一个滤波电容接至桥式整流直流侧，如图4所示。

设定电源电压V=1600V，内阻R=0.15Ω，电容值C=0.1F。通过一个外环的电压PI控制器，调节内环有功电流分量id的大小，从而控制电容两端的直流电压Vdc在某一值上，就能实现对应的有功功率的输出。同时，也能通过采用另一个PI控制器来实现无功功率的控制，外环PI控制器的电路结构如图5。

假设电容两端的直流电压恒定在1100V，则DC-AC转换器应当输出到电网的有功功率P约为：

（3.7）

无功功率Q的输出仍然由给定值通过PI控制器调节iq*电流的大小来实现。仍假若要求输出的无功功率Q=10MVar，并设定无功功率PI控制器的参数P=0.001，I=0.02，电压PI控制器的参数整定为：P=1000，I=20000，仿真的波形图6所示。

图4 恒直流侧电压，控制无功的部分物理量的波形

3.两种控制方案的对比

如图所示：

3.1功率控制方案比电压控制方案稳定速度快，即调制速度相对更快些。

3.2从调制稳定后的波形可以看出，电压控制比功率控制稳定性相对好些。

四、结论

本文提出的逆变器控制系统直接以电网电压作为逆变器输出电流的参考信号， 采用电流瞬时值反馈控制， 其控制系统不仅结构简单， 而且能够实现单位功率因数输出， 减少输出电流对电网造成的谐波污染。

参考文献

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