引入虛擬阻抗對下垂法的并聯(lián)技術(shù)進行改進

引言

基于下垂法的并聯(lián)技術(shù)，其控制策略簡單，技術(shù)成熟，非常適用于實際系統(tǒng)。然而由于逆變電源輸出阻抗存在阻性成分，而且有時不能忽略，因此在系統(tǒng)設計時，它對于輸出功率特性和系統(tǒng)環(huán)流的影響就不能一概而論。如果能找到某種控制措施，使得并聯(lián)系統(tǒng)輸出阻抗中感性成分占絕對比重，這樣就滿足下垂法并聯(lián)的應用條件。在此采用“虛擬阻抗法”可改善上述問題。由于并聯(lián)系統(tǒng)在輸出電壓的不同頻段對于輸出阻抗有著不同的特性要求，所以可采用相應的控制策略，使得逆變電源的輸出阻抗呈現(xiàn)系統(tǒng)的期望特性。這里采用光伏電池作為逆變電源，將改進后的下垂法并聯(lián)技術(shù)運用到光伏并網(wǎng)控制策略中，并進行了詳細研究。搭建了并聯(lián)型逆變電源裝置樣機，最后在1 kW的試驗平臺上對整個并聯(lián)過程進行了試驗研究。

2 主電路結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為采用的單相全橋逆變主電路，其核心部分在于用內(nèi)部電流環(huán)反饋和外部電壓環(huán)反饋來調(diào)節(jié)脈寬，采用電感電流和電容電壓作為反饋分量。光伏電池的輸出電壓通過逆變電路輸出。逆變橋的后級加入LC濾波器，用來消除輸出電壓中的高次諧波。P／Q計算單元的功能是完成并聯(lián)系統(tǒng)輸出無功功率和有功功率的計算，運算結(jié)果經(jīng)功率下垂控制模塊調(diào)節(jié)后合成電壓信號。鎖相環(huán)(PLL)控制單元用來實現(xiàn)逆變電源輸出電壓頻率和相位的同步功能。

3 光伏電池的數(shù)學模型

光伏電池是利用特殊材料的光伏效應制成的，光伏效應則是指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。它首先是由光子(光波)轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程；其次是形成電壓的過程。根據(jù)電子學理論，當負載為純電阻時，光伏電池的實際等效電路如圖2所示。對應的I-U函數(shù)為：

式中：Iph為光生電流；I0為反向飽和電流(數(shù)量級為10-4A)；Rs為串聯(lián)等效電阻；Rsh為內(nèi)部并聯(lián)的電阻；=q／(AKT)，K為玻耳茲曼常數(shù)(1．38x10-23J／K)，T為絕對溫度，q為電子電荷(1．6×10-16C)，A為二極管品質(zhì)因子(當T=330 K時，約為2．8+0．15)。

4 虛擬阻抗法的分析

4．1 虛擬阻抗法的實質(zhì)

虛擬阻抗法針對系統(tǒng)在輸出電壓的不同頻段對輸出阻抗特性不同要求的特點，采用相應的控制策略，使等效輸出阻抗呈現(xiàn)出系統(tǒng)期望的特性。圖3為并聯(lián)系統(tǒng)的輸出阻抗等效示意圖。

圖中下標1表示逆變電源1的變量：下標2表示逆變電源2的變量：下標0表示負載變量：下標b表示向量的基波分量：下標h表示向量的諧

波分量；0為輸出電壓的基波角頻率；h0為輸出電壓的諧波頻率。

由圖3可見，未采用虛擬阻抗法時，逆變電源是通過一串聯(lián)連接阻抗與負載相連；采用虛擬阻抗法后，逆變電源則分別通過等效阻抗相并聯(lián)。當然該阻抗不是真的物理器件，而是通過控制逆變電源產(chǎn)生的等效阻抗，并且輸出阻抗在輸出電壓的不同頻段表現(xiàn)出不同的特性。

4．2 電流反饋對輸出阻抗中阻性部分r的抑制

由圖1可得該系統(tǒng)的主電路狀態(tài)方程為：

式中：D為器件開關狀態(tài)的控制變量，有1，0和-1三態(tài)。

在逆變電源的控制模塊中，系統(tǒng)是依據(jù)輸入的正弦波和三角波比較而得的脈沖來控制功率開關器件。由于實際情況中開關是不連續(xù)的狀態(tài)，因此采用狀態(tài)空間平均法建立連續(xù)狀態(tài)平均模型進行分析，得到系統(tǒng)輸出電壓的動態(tài)模型為：

在此采用電感電流反饋控制，系統(tǒng)輸出電壓雙環(huán)復合控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由圖4可得：

式中：Kp為PI調(diào)節(jié)比例系數(shù)；K為PI調(diào)節(jié)積分系數(shù)；KF為前饋調(diào)節(jié)系數(shù)。

聯(lián)立式(3)，(4)可得：

由式(5)可見，當KiK2>>r時，基于電感電流反饋的系統(tǒng)輸出阻抗中r對系統(tǒng)的影響大大減弱。

4．3 虛擬阻抗法對輸出阻抗的校正

當逆變電源帶非線性負載運行時，系統(tǒng)輸出電流中含有大量諧波，其輸出阻抗高端不能呈現(xiàn)好的電阻特性。可運用虛擬阻抗自校正來調(diào)節(jié)輸出阻抗特性，圖5為其控制結(jié)構(gòu)示意圖，有：

式中：Zvir(s)為虛擬阻抗；Zvo(s)為采用虛擬阻抗法的系統(tǒng)等效輸出阻抗。

由于要兼顧系統(tǒng)控制線性負載和非線性負載兩種情況，Zvo(s)應在基頻段呈現(xiàn)感性，在諧波頻段呈現(xiàn)阻性。故可設計如下虛擬阻抗來實現(xiàn)系統(tǒng)對輸出阻抗的校正，即：Zvir=鵳s／(s+鵳)，則可得：

實際中鵳的選取不宜過大。當采用虛擬阻抗法來校正輸出阻抗時，實際是以降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度為代價來提高其均流效果。因此還應綜合考慮系統(tǒng)的均流效果和穩(wěn)態(tài)指標，實現(xiàn)優(yōu)化設計。

5 仿真與試驗

為驗證所提出虛擬阻抗法的正確性，在Matlab／Simulink中建立仿真模型，光伏電池單元參數(shù)設置如下：Rsh=10 kΩ，Rs=0．2 Ω，T= 300 K，A=2．8；光伏電池組件參數(shù)設置為：Rsh=10kΩ，Rs=0．8Ω，A=0．02?？紤]到各光伏單元的連接和實際等效問題，Λ的取值比實際計算值13．68 V-1小得多。負載ZL=50 Ω，L1=810μH，L2=880μH，C=25μF，額定輸出功率S=1 kVA，額定頻率f=50 Hz，額定電壓U=314 V。下垂系數(shù)n=10-4V／var，m=10-4 rad／(w·s)，nd=4．5×10-7V·S／var，md=4．5×10-7(rad·s)／w。濾波器截止角頻率ωc=10 rad／s。圖6為啟動循環(huán)電流的仿真波形?？梢?，盡管最初的峰值電流由于逆變器初始相位不同而有所區(qū)別，但采用虛擬阻抗器的下垂控制策略比傳統(tǒng)的下垂控制策略有更快的動態(tài)響應和更少的循環(huán)電流。

為進一步驗證所提出的改進下垂控制法的合理性，在一套額定功率為1 kW的試驗平臺上進行測試。每一個逆變器由型號為IKW20N60T的IGBT管和LC輸出濾波器組成，參數(shù)如下：L=1 mH，C=30霧，U0=220 V／50 Hz。逆變器的控制器由三環(huán)控制構(gòu)成。內(nèi)部電流環(huán)控制器和外部PI控制器用來調(diào)節(jié)電壓。負載控制器則采用了型號為TMS320LF2407A的數(shù)字處理器。圖7a為并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓波形，圖7b為兩個逆變電源的輸出電流波形?？梢姡词关撦d是非線性負載，系統(tǒng)的運行效果依舊良好。

6 結(jié)論

根據(jù)光伏電源并聯(lián)運行的研究，提出了一種基于改進下垂法的并聯(lián)運行控制策略。引入了虛擬阻抗的概念，設計了一種新型控制器，并在試驗平臺上進行了研究。仿真和試驗結(jié)果表明，該控制策略能迅速抑制系統(tǒng)啟動循環(huán)電流，獲得了更好的動態(tài)響應特性，是一種較為理想的控制策略。