分布式发电系统单相逆变器改进电能质量控制方案

Ganji Jhansi Rani¹——帕万·库马尔²

印度安得拉邦马切拉市牛顿工程学院EEE系硕士技术学者
学系助理教授。EEE，牛顿工程学院，马切拉，安得拉邦，印度

摘要

分布式发电(DG)系统通常通过电力电子转换器与电力网络连接。针对电网并网运行中对电网谐波消除和无功补偿等电能质量要求较高的电力系统，设计了一种单相逆变器。该项目的主要主题是将DG系统与分流有源电力滤波器功能集成。利用该技术，逆变器既能控制可再生能源有功功率流向电网，又能保持电网电流接近正弦，实现负载电流的非线性谐波补偿。该电能质量控制策略采用基于正弦信号积分器和瞬时无功功率(IRP)理论的电流基准发生器和专用的重复电流控制器。针对4-kVA逆变器，对基于逆变器的电能质量控制方案进行了仿真。

关键字

分布式发电，单相逆变器，电能质量，功率调节。

介绍

最近，由于高油价和对环境的关注，可再生能源成为人们关注的焦点。这种情况刺激了光伏板、风力涡轮机和燃料电池[1]-[3]等替代能源的发展。分布式发电(DG)概念的出现是为了整合不同的发电厂，增加DG所有者的可靠性，减少排放，并提供额外的电能质量效益[4]。使用可再生能源的配电发电系统的成本呈下降趋势，随着需求和产量的增加，预计将进一步下降。DG系统中使用的能源通常具有不同的输出特性，因此，采用电力电子变换器将这些能源连接到电网，如图1所示。电力电子前端变换器是根据DG源类型的不同，其直流链路由ac/dc变换器或dc/dc变换器馈电的逆变器。商用前端逆变器设计为并网或孤岛模式。在并网模式下，公共耦合点(PCC)的电压由电网施加;因此，逆变器必须是电流控制。在孤岛模式下工作时，逆变器是电压控制的，以指定的振幅和频率[5]，[6]产生输出电压。Coming to the grid-connected mode, almost all the commercial single-phase inverters for DG systems inject only active power to the grid, i.e., the reference current is computed from the reference active power p∗that must be generated [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理论和SRF理论是文献[11]中涉及最多的理论。这些策略最初是为三相系统提出的，但由于它们的有效性，它们可以适用于单相系统。在三相系统中，IRP和SRF技术都在具有两个正交轴的参考系统中运行(IRP为αβ， SRF为dqd)。在单相系统中，由于只有一个相位变量存在，有必要创建一个“虚构的”或假想的变量，其中所有频率相对于原始变量相移90电度。通过这个过程，从一个变量创建了一个具有两个正交变量的系统，允许应用IRP和SRF理论。

逆变控制方案

增强电能质量特性的单相逆变器控制方案框图如图2所示。逆变器参考电流中频由参考电流发生器组产生，电流控制基于重复控制器。

A.参考电流发生器:参考电流产生方案如图3所示，可分为两部分:计算谐波参考电流ihα和产生与所要产生的有功功率和无功功率相对应的基本参考电流i * 1 α。

谐波参考电流的产生:利用非线性负载电流iLand PCC电压VPCC计算电流谐波补偿的参考电流。基于SSI的滤波器(以下简称SSI滤波器)提取稳态αβ帧负载电流的基频分量ω0 = 2×π×50 (inradian / s)，如图3和图4所示。谐波参考电流∗hα是由SSI滤波器输出的负载电流(iL−iL 1α)相减得到的。基本参考电流的产生:图4所示的SSI滤波器不是状态操作，而是具有两个正弦状态x1和x2，它们具有相同的幅值，并且相移了90电度。因此，有可能从SSI滤波器获得两个输出，iL1α和iL 1β(总是90ÃⅱÂ老爸Â相对于iL1α的ε)。通过分析SSI滤波器的两个传递函数可以看出这一点

在稳态工作时，频域内传递函数(1)和(2)的相位关系为isH1(jω) = H2 (jω) + π/ 2 -(3)。(1)和(2)的波德图如图5和图6所示，分别对应于不同的kconfirm(3)值。也可以看出，kA越小，滤波器的选择性越强。然而，当这种情况发生时，相位延迟在基频ω0附近变得更高。该特性对于获得对局部负荷进行无功补偿所需的正交基分量非常有用。利用IRP理论中无功功率的定义q∗= iL1α v1β−iL1β v1α -(4)，由上述i产生的信号iL1β仅用于计算基本无功参考q∗。为了获得v1α和v1β，在pccc电压VPCC中使用了另一个SSI滤波器，通过产生v1α和一个与v1α具有相同振幅和相移90电度的信号(v1β)，如图4所示。在pcc电压中使用SSI滤波器使得参考电流发生器对栅极电压畸变不敏感。逆变参考电流i * 1α和i * 1β的基本分量是通过施加参考功率p *等于注入电网的有功功率来计算的，如下所示:

B.电流控制:对于产生有功功率并补偿无功功率的逆变器，参考电流在基频是正弦的，所以如果带宽足够高，使用传统的PI控制器可能就足够了。如果逆变器还必须补偿电流谐波，那么参考电流就会变成非正弦电流。在这种情况下，除非采用特定的控制方案，否则PI控制器不可能实现零稳态误差。所采用的电流控制方案如图7所示，它是基于一个重复的控制器沿着一个传统的PI调节器，以便在参考电流具有高谐波含量时实现零稳态误差。该方案最初是在并联型有源滤波器中提出的，因此也适用于有功发电和有电能质量特点的逆变器。在图7的方案中，关键问题是重复控制方案的实现。重复控制器只不过是一个N个开关的FIR滤波器。该滤波器可以采用离散傅里叶变换(DFT)设计，使每一个谐波都能获得单位增益进行补偿。中详细描述，滤波器系数可计算为

其中，是系数的个数，n是所选谐波频率的集合，Na是保持系统稳定所必需的前导阶数。图7中的krparameters影响重复控制器速度响应。FIR滤波器抽头的数量与采样频率直接相关。为了实现(6)的采样周期ts100 μs，我们将需要一个FIR滤波器，使用200个水龙头。例如，对FIR滤波器(6)进行五次和七次谐波(Nh= 5,7)调整并实现N = 200个抽点的频率图如图8所示。原来的重复控制器的实现需要大量的滤波器抽头，这对于选择的10khz采样频率是必要的。为了减少抽头次数，本文提出了一种改进的重复控制器。通过使用(7)计算所提出的滤波器系数。相对于(6)，所提出的滤波器(7)允许在相同采样频率下将抽头数量减半。对于10khz的采样频率，(7)将导致N= 100个tap，而(6)将导致N=200个tap，使得所提出的滤波器更适合Matlab实现，因为计算时间将显著减少。所提出的FIR滤波器(7)经过5次和7次谐波(Nh=5和7)调整并在N = 100个抽头下进行模拟的频率图如图9所示。从图中可以看出。9、本文提出的FIR滤波器具有与原滤波器相似的滤波性能，但由于抽点数减半，仿真更简单。

SIMULATIONRESULTS

Matlab仿真设置的总体示意图如图所示。(10)，其中电网电流iS、负载电流iL、逆变器电流if均为正极性，与图1一致。仿真的总体情况如图11所示，系统参数如表i所示。仿真结果采用4 kva单相全桥逆变器原型机，开关频率为10 kHz。该仿真平台采用Simulink Matlab 2009B版本实现逆变控制系统。电流控制器参数为kR= 1, N= 100(采样频率= 10 kHz)， Nh= 2n−1,N= 1，…，13,Na = 2。PI电流控制器参数kp= 3, ki= 500。从系统测得的量为逆变电流iF、PCC电压VPCC和本地负载电流iL，如图10所示。由于本文的研究重点是并网逆变器，因此采用三相方差馈电的三相整流器对直流电源进行仿真。单相逆变器将有功功率注入电网，并补偿由本地负载产生的谐波，本地负载包括两个部分:一个2kw的线性负载和一个3kva的非线性电容性负载(带电容性负载的单相二极管整流器)。

A.有功发电验证:

该测试是在逆变器只有2kw电阻本地负载的情况下进行的。逆变器注入2kw有功功率的稳态运行如图12所示。在这种情况下，可以看到电网电流iSis几乎为零，因为本地负载功率请求完全由逆变器提供(is = iL−iFin图10)。逆变器的稳态运行，注入3kw的有功功率，如图13所示。可以看出，栅极电流相对PCC电压失相180度，即有功发电。逆变器电流波形及其傅里叶分析如图13所示，注入电流几乎是正弦的。电网电流总谐波失真(THD)值约为2%。

B.电流谐波补偿的验证:

该测试已与逆变器进行，其局部负载由电阻R2和二极管整流器组成。这是因为逆变器注入的有功功率1千瓦比本地负载要求的有功功率小。逆变器的稳态运行，注入1kw有功功率并补偿局部负载的电流谐波，如图15和图16所示。逆变电流iF、PCC电压VPCC、局部负载电流iL如图15所示，图16为逆变电流iF、PCC电压VPCC、电网电流iS以及逆变电流iF的傅里叶分析。从图15和图16可以看出，即使局部负载电流高度扭曲，市电电流也几乎是正弦的。

此外，可以注意到，电网电流与PCC电压是同相的，因此在这种情况下，本地负载仍然从电网吸取有功功率。通过打开负载二极管整流器来评估逆变器的动态性能，如图17和18所示。

C.无功补偿的验证:

为了明确强调逆变器补偿本地负载无功功率的能力，逆变器只在电阻R2和电感L2之间串联的RL负载下运行(表I)。负载电流与负载电压相差约20电度，如图19所示。无功功率阶跃使能时，无功功率为零的逆变器瞬态运行如图20所示。

逆变器稳态运行，注入3kw有功功率，补偿整个负荷无功功率，如图21所示。

电网电流相对于PCC电压相差180度，这意味着有功发电，因为逆变器产生的有功功率大于负载要求的有功功率。

最后，当产生有功功率为3kw时，阶跃式无功补偿的瞬态响应如图22所示，其时间响应小于一个栅格周期，在瞬态过程中没有特别的问题。

结论

本文研究了一种适用于dg系统的单相h桥逆变器，在并网运行时，需要采用谐波和有功功率补偿等电能质量特性。所提出的控制方案采用基于SSI和IRP理论的电流基准发生器和专用的重复电流控制器。并网单相h桥逆变器向电网注入有功功率，既能补偿局部负荷无功功率，又能补偿局部负荷电流谐波。在4 kva逆变器Matlabmodel上进行了有功发电、负载无功补偿、负载电流谐波补偿等不同工况的仿真测试。仿真结果表明，该方法在电网电流THD和瞬态响应方面具有良好的暂态和稳态性能。集成电能质量特性的缺点是逆变器也会输出谐波补偿电流，直接后果是增加逆变器的总电流和成本。应实施电流限制策略，如果逆变器输出电流超过开关额定值，则必须降低供电的谐波电流。这样，逆变器可用电流主要用于有功功率注入，如果有一定的电流余量，可用于补偿无功功率和非线性负载电流谐波。考虑到无功功率和电流谐波补偿所需电流的逆变器设计的分析超出了本文的范围，这将是未来研究的主题。

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