单相逆变器与改进的分布式发电系统电能质量控制方案

甘吉佳斯王妃¹,孔雀舞库马尔²

M。科技学者,EEE称,牛顿工程研究所Macherla,印度安得拉邦
学系助理教授。EEE,牛顿的工程研究所,Macherla,印度安得拉邦

文摘

分布式发电(DG)系统与电力网络界面的最常见的是通过电力电子转换器。摘要DG的单相逆变器系统需要改善电力品质,如消除谐波和无功功率补偿短时间操作。项目的主题是总干事的系统集成与并联型有源电力滤波器的功能。通过使用这种技术,逆变器控制有功功率流从可再生能源到网格并执行非线性负载电流谐波补偿通过保持栅极电流接近正弦波。电能质量控制策略采用基于正弦信号的电流参考信号发生器积分器和瞬时无功功率理论(IRP)与一个专用的重复的电流控制器。基于仿真的电能质量控制方案为4-kVA逆变器逆变器进行。

关键字

分布式发电、单相逆变器、电力质量、功率调节。

介绍

最近,由于石油价格较高和对环境的关注,可再生能源是在聚光灯下。这个场景刺激了发展替代能源如太阳能光伏板,风力涡轮机和燃料电池[1]- [3]。分布式发电(DG)概念成为一种集成不同的发电厂,增加了DG所有者的可靠性,减少排放,并提供更多的电能质量效益[4]。分配的成本使用可再生能源发电系统是处于下降趋势,预计将进一步下跌的需求和生产增加。DG使用的能源系统通常有不同的输出特性,因此,电力electronicconverters用来连接这些能源电网,如图1所示。电力电子的前端变换器是一个逆变器的直流环节是美联储的ac / dc变换器或直流/直流转换器,符合DG源类型。商业操作前端逆变器设计为短或岛模式。在短时间模式下,电压在公共连接点(PCC)是由网格;因此,必须电流控制逆变器。当在岛经营模式时,逆变器压控,生成输出电压在指定的振幅和频率[5],[6]。来到并网模式下,几乎所有的商业DG的单相逆变器系统注入仅对电网有功功率,即。,从参考参考电流计算有功功率p∗必须生成的[7]。It is possible and can be convenient to integrate power quality functions by compensating the reactive power and the current harmonics drawn by specific local nonlinear loads (see Fig. 1). The single-phase inverter can acquire active filtering features just adding to its control software some dedicated blocks that are specific to shunt active power filter (APF).This paper proposes and validates an enhanced power quality control strategy for single-phase inverters used in DG systems. The idea is to integrate the DG unit functions with shunt APF capabilities. With the proposed approach, the inverter controls theactive power flow from the energy source to the grid and also performs the compensation of reactive power and the nonlinear load current harmonics, keeping the grid current almost sinusoidal.The integration of APF capability in single-phase inverters needs a particular attention since the control techniques (for example, to find the reference current) were developed for three phase APFs, and consequently, must be adapted for single-phase systems. The literature presents different solutions to compute the harmonic extraction task for single-phase APFs [8]. The methods are classified in direct and indirect methods in [8]. The direct methods include the Fourier transform method [10], the instantaneous reactive power (IRP) theory [11]–[14] and the synchronous reference frame (SRF) theory [15]. On the other hand, the indirect methods include the use of enhanced phase-locked loop (EPLL) scheme or a controller such as proportional–integral (PI) to find the reference current [8], [9].

在这些解决方案中,IRP和SRF理论是最在文献[11]。这些策略最初提出了三相系统,但它们也适用于单相系统由于其有效性。在三相系统中,IRP和SRF技术操作在两个正交轴参考系统(αβIRP和dqfor SRF)。在单相系统中,因为只有单阶段变量存在,必须创建一个“虚拟”或虚拟变量相移到90年所有频率的电度对原变量。这个过程,创建一个系统,两个正交变量从一个变量,允许IRP的应用和理论。

逆变器控制方案

单相逆变器控制的框图schemewith加强电能质量特性图2所示。逆变器的参考电流如果是referencecurrent生成器生成的块和电流控制是基于arepetitive控制器。

a .参考电流发生器:参考当代计划图3所示,可以分为两个部分:计算harmoniccurrent参考ihα和生成的fundamentalreference当前∗1α生成相应的活跃和thereactive次方。

一代的谐波参考电流:当前iLand nonlinearload PCC电压VPCC tocalculate参考当前用于电流谐波补偿。过滤器根据SSI(以下简称SSI过滤器)extractsthe基频分量ω0 = 2×π×50(每秒inradian)固定αβ负载电流的框架,如无花果。3和4所示。谐波参考currenti∗hα从减法获得负载电流的精矿产量的SSI过滤器(iL−iL 1α)。一代的基本参考电流:Insteadystate操作,图4所示的SSI过滤器twosinusoidal州x1和x2拥有相同的振幅和beingphase-shifted 90电度。所以,它是从SSI来获得两个输出过滤器,iL1α和iL 1β(这总是90 a¢¦转移对iL - 1α)。这可以看到byanalyzing SSI过滤器的两个传输函数

在稳态操作中,phasesof传递函数之间的关系(1)和(2)在频域中isH1 (jω)= H2 (jω)+π/ 2 - (3)。的波德图(1)和(2)无花果。5和6所示为不同值的kaconfirm(3),也去看,当kA变得越来越小,过滤变得moreselective。然而,当这一切发生的时候,基频的相位延迟becomeshigherω0。Thisproperty有助于获得正交fundamentalcomponents需要执行无功功率compensationof本地负载。信号生成的iL 1βtheSSI只计算基本无功功率referenceq∗,利用IRP的无功功率的定义理论问∗= iL1αv1β−iL1βv1α——(4)。获得v1αv1β,另一个SSI过滤器是用于PCCvoltage VPCC通过生成v1α和信号(v1β)同一振幅和相移到90年fromv1α电度,如图4所示。使用SSI过滤器的PCCvoltage使参考电流发生器对gridvoltage扭曲。的基本组件inverterreference当前我∗∗1α1β计算征收thereference功率p∗等于有功功率的数量需要到网格,如下:

b .电流控制:逆变器产生有功功率也应向无功功率,在fundamentalfrequency正弦参考电流,所以使用传统PI控制器可能足够了如果theirbandwidth足够高。如果theinverter还必须补偿谐波电流,referencecurrent非正弦的。在这种情况下,achievingzero稳态误差是不可能与PI控制器,unlessparticular控制方案。采用电流控制方案图7所示,基于重复沿着传统PI控制器regulatorin以便实现零稳态误差当referencecurrent谐波含量很高。这个方案beenoriginally有限公司提出并联apf,出于这个原因,它也适合用于有功功率的逆变器generationand电能质量特性。来方案在图7中,关键的问题是重复的控制方案的实施。repetitivecontroller只不过是一个数字滤波器的N个水龙头。filtercan被设计利用离散傅里叶变换(DFT)实现单位增益becompensated每一个谐波。详细描述,滤波器系数可以计算

WhereNis系数的数量,覆盖到了selectedharmonic频率的集合,Na的数量导致stepsnecessary保持系统稳定。kRparameterfrom图7重复控制器响应速度的影响。冷杉的数量过滤器samplingfrequency水龙头直接相关。实现(6)与采样周期Tsof 100μs,我们需要一个冷杉过滤器通过使用200水龙头。例如,频率的冷杉过滤器(6)调谐thefifth和第七次谐波(Nh = 5, 7)和implementedwith N = 200水龙头图8所示。原始的实现重复controllerrequires大量的过滤器阀门所需thechosen 10 kHz的采样频率。减少阀门数量,提出了一种改进重复控制器。提出的滤波器系数是计算使用(7)。(6),该过滤器(7)允许的数量减半水龙头相同的采样频率。samplingfrequency 10 kHz,(7)将导致N = 100水龙头关系到N = 200水龙头由(6),使该滤波器压制Matlab实现自计算timewill显著降低。情节冷杉过滤器的频率(7)调谐thefifth和第七次谐波(Nh = 5和7)和simulatedwith N = 100水龙头如图9所示。可以指出fromFig。9,冷杉过滤器过滤propertieswith原过滤在展品相似,但是研究者说简单由于数量减半的水龙头。

SIMULATIONRESULTS

Matlab仿真的总体图inFig显示设置。10,积极为电网电流极性,loadcurrent,和逆变器电流iFare强调,在市场无花果。1。模拟的一般视图呈现在图11中,系统参数给出inTable i 4-kVA单相全桥逆变器prototypeusing已用于切换频率10 kHz thesimulation结果。基于仿真平台用于实现逆变器控制系统在仿真软件Matlab 2009 b版本。电流控制器参数kR = 1, N = 100(采样频率= 10 kHz), Nh与N = 1 = 2 N−1,…, 13日和Na = 2。PI电流控制器参数arekp = 3和ki = 500。数量从系统测量是invertercurrent如果PCC电压VPCC,和当地的负载电流,如图10所示。论文重点是grid-connectedinverter,直流能源模拟了由三相threephasediode整流器美联储方差。单相逆变器有功功率注入到gridand补偿本地负载所产生的谐波,它说明两部分:2千瓦线性负载和3-kVA nonlinearcapacitive负载(单相电容dcload二极管整流器)。

验证活动发电:

这个测试已经完成变频器有onlya 2千瓦当地负载电阻。theinverter稳态操作,注入2千瓦的有功功率,图12所示。在这情况下,可以看出,栅极电流伊希斯几乎zerobecause本地负载功率要求提供完全以逆变器(= iL−iFin图10)。逆变器的稳态运行,注射3 kW ofactive力量,提出了图13所示。可以看出gridcurrent的阶段在180年对PCC电压电度,这意味着积极的发电。Theinverter电流波形及其傅里叶分析在图13显示alsoillustrated almostsinusoidal注入电流。电网电流总谐波失真(THD)值约为2%。

b验证谐波电流补偿:

这个测试已经完成的逆变器有一个localload由电阻R2和二极管整流器。这是因为1的inverter-injectedactive力量kWis小于有功功率requestedby本地负载。Thesteady-state逆变器的操作,注入1千瓦activepower补偿局部负荷的谐波电流,无花果所示。15和16。逆变器的电流,如果PCCvoltage VPCC和本地负载电流图15所示,在图16包含逆变器电流,如果PCC电压VPCC,电网电流,invertercurrent如果的傅里叶分析。它可以从无花果。15和16,即使当地负载电流是高度扭曲的,电源电流almostsinusoidal。

同时,它可以指出,栅极电流在相位与PCC电压,所以在这种情况下,局部负荷仍然吸引activepower从电网。逆变器的动态性能评估以便在二极管整流器的负载,如无花果所示。17和18。

无功补偿的c验证:

明确强调地方负载无功功率逆变器补偿能力,逆变器已经RL负载操作而获得之间的串联电阻R2和电感L2(表1)。负载currentlags负载电压约20电度,作为shownin图19所示。逆变器瞬态操作获得零活跃powergeneration启用无功功率时一步fashionis图20所示。

逆变器的稳态运行,注射3 kW ofactive权力和整个负载无功功率补偿,isshown在图21。

电网电流的相位的朝向PCC电压在180年电度,这意味着activepower代由于逆变器产生更积极的大于负载的有功功率要求。

最后,无功功率的瞬态响应一步compensationwhen生成的有功功率3 kW illustratedin无花果。22日,显示时间小于1的反应gridperiod在瞬态,也没有特定的问题。

结论

本文涉及一种单相h桥逆变器forDG系统、电能质量特性要求谐波andreactive功率补偿短时间操作。Theproposed控制方案采用电流参考generatorbased SSI和IRP理论,结合dedicatedrepetitive电流控制器。的gridconnected single-phaseH-bridge逆变器有功功率注入电网,同时补偿局部负荷无功功率是localload电流谐波。仿真结果上取得了4-kVA逆变器Matlabmodel检测不同的操作条件下,includingactive发电、负载无功补偿和负载电流谐波补偿。仿真结果显示良好的瞬态和steadystateperformance的栅极电流THD和transientresponse。电能质量特性的集成有drawbackthat逆变器也将交付谐波compensationcurrent增加的直接后果inverteroverall电流和成本。电流限制strategyshould如果实现逆变器输出电流exceedsthe开关评级,然后提供的谐波currentmust会减少。通过这种方式,逆变器可用电流ismainly用于注入有功功率和如果有somecurrent保证金,这可以用于reactivepower和非线性负载电流谐波的补偿。对逆变器的设计,考虑了currentrequired无功功率和谐波电流compensationis超出本文范围,futurestudy的主题。

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