詳解與公用電網(wǎng)相連的逆變器在建模與控制方面電路設計

本文介紹了并網(wǎng)逆變器的建模與控制，討論了各個(gè)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，并詳細闡述了最適用的技術(shù)。本文所提到的技術(shù)既可用于單相和三相逆變器，也可用于三相逆變器中的任意級數。本文對電網(wǎng)同步、防孤島控制、電流調節算法、PWM生成技術(shù)和獨立逆變器控制等內容進(jìn)行了探討，并以數字控制格式提出了控制算法；該格式適用于使用數字信號處理器的嵌入式控制。

據全球風(fēng)能協(xié)會(huì )數據顯示，2006年全球風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)總發(fā)電量已達22,199 GWh，比2005年增長(cháng)了6.48%。這說(shuō)明風(fēng)力發(fā)電量已能滿(mǎn)足總需求電量的9%。然而，大多數可替代能源系統都無(wú)法提供穩定的能源。在一天之內，風(fēng)速、太陽(yáng)輻射照度、水流速度可能會(huì )發(fā)生很大的變化。需要一個(gè)穩定的電網(wǎng)接口來(lái)過(guò)濾可再生能源的波動(dòng)，為用戶(hù)提供可靠的電力。大多數可再生能源都連接到電網(wǎng)，能源的源端大多以直流電的形式存在。太陽(yáng)能光伏電池可提供直流電壓，中小型風(fēng)力發(fā)電機能夠輸出交流電，這些交流電隨后可轉換成直流電。借助逆變器，可以將直流電能轉換為交流電能。直流端的控制目標是捕捉到最大的能量，并將其傳輸到公用電網(wǎng)中。產(chǎn)生的交流電能，必須能兼容交流公用電網(wǎng)中逆變器與公用電網(wǎng)連接點(diǎn)處的電能。

如此多的分布式系統廣泛滲透到公用電網(wǎng)中，帶來(lái)了許多問(wèn)題。如果以不規范的方式接入公用電網(wǎng)，則可能影響電能的質(zhì)量并威脅維護人員或系統用戶(hù)的安全。目前，有關(guān)方面已制定出多項標準來(lái)約束并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)的連接。

并網(wǎng)逆變器的共同特性是具有一種特定的算法，可最大限度增加從可再生能源中提取的電能。在太陽(yáng)能光伏系統中，這通常是指最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電機組也同樣尋求能量捕捉的最大化，但這通常需要強制渦輪以最大的氣動(dòng)效率工作才能實(shí)現。從理論上來(lái)說(shuō)，這是一種MPPT技術(shù)，但它涉及的并不僅僅是并網(wǎng)逆變器。太陽(yáng)能光伏系統的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)

典型的太陽(yáng)能光伏系統由一個(gè)太陽(yáng)能光電板陣列組成。太陽(yáng)能光電板能夠將太陽(yáng)光轉換為直流電能；直流電能的強度與到達太陽(yáng)能光電板的太陽(yáng)輻照度成正比。借助逆變器，可以將直流電能轉換為交流電能?？捎玫奶?yáng)能數量與輻照度、溫度和光電板的新舊程度有關(guān)，因此，如未測量太陽(yáng)的輻照度和光電板的溫度，很難對可用的太陽(yáng)能數量進(jìn)行估算。傳感元件會(huì )增加額外的成本。即便應用了傳感元件，估算的值也不精確。陽(yáng)光經(jīng)常被遮擋住，這會(huì )影響光電板陣列的性能。另外，光電板的新舊程度也會(huì )影響它的性能。逆變器需要自動(dòng)調整功率輸出，以便隨時(shí)捕捉最大的可用功率。這種從太陽(yáng)能光電板上捕捉最大可用功率的算法，被稱(chēng)為MPPT。太陽(yáng)能電池板陣列的電壓特性和電流特性要求：在任何太陽(yáng)輻照度和電池板環(huán)境下，都必須提供能從陣列中獲得最大功率的最佳工作條件。逆變器需要主動(dòng)搜索最大功率點(diǎn)。當逆變器處于瞬態(tài)且未在穩態(tài)條件下振蕩時(shí)，理想的MPPT算法應能迅速將逆變器調整為能夠獲得最大功率的狀態(tài)。緩動(dòng)、振蕩MPPT算法都會(huì )浪費捕捉可用功率的機會(huì )。振蕩算法還可能導致陣列電壓崩潰。從太陽(yáng)能光伏系統中獲取穩定的最大功率，取決于嵌入式處理器讀取、處理并響應逆變器物理變量的精度和速度。

電網(wǎng)同步

相位跟蹤系統是控制系統的一個(gè)重要組成部分。它既影響逆變器輸出的功率因數控制，也影響逆變器輸出電流的諧波含量。理想情況下，相位跟蹤算法應該既能快速響應電網(wǎng)定相的變化，也能屏蔽電網(wǎng)電壓中的噪音和高次諧波。目前已提出了很多算法，最早的相位跟蹤算法以零交越檢波為基礎。當電網(wǎng)電壓零交越時(shí)，逆變器輸出電流將與電網(wǎng)同步。該算法可能會(huì )受到電網(wǎng)電壓中噪音和高次諧波的影響。此外，零交越檢波存在速度問(wèn)題，它在每個(gè)電網(wǎng)周期中只能對電網(wǎng)定相做出兩次響應。借助開(kāi)、閉環(huán)技術(shù)，許多濾波技術(shù)已可以實(shí)現電網(wǎng)定相估算。

鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)已成為一種用來(lái)估算電網(wǎng)相位的行業(yè)標準。通過(guò)補償器設計，可以調整收斂速度、穩態(tài)噪聲和抗干擾性能。PLL在跟蹤電網(wǎng)相位方面表現良好，即使電網(wǎng)電壓中出現高次諧波時(shí)也不例外。但當電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，PLL的性能可能變差。使用前置濾波器技術(shù)或后置濾波技術(shù)，可以避免公用電網(wǎng)系統產(chǎn)生失衡。

時(shí)變三相電網(wǎng)電壓便于實(shí)現控制目的。為操控自然模型，我們通過(guò)轉換功能把一個(gè)參考坐標系的量轉換為另一個(gè)參考坐標系的量。通過(guò)一次轉換可將三相耦合電壓(abc坐標系)轉換為兩相去耦電壓(αβ坐標系)。第二次轉換將一個(gè)參考坐標系中的量轉換為第二個(gè)參考坐標系的量(dq坐標系，與第一個(gè)坐標系相差一個(gè)相角)。PLL的目的是估算公用電網(wǎng)系統的相角。綜合以上兩個(gè)將三相電網(wǎng)abc量轉換成dq量的轉換過(guò)程，可知：

轉換完成后，兩相去耦電網(wǎng)電壓變?yōu)椋?/span>

當φ接近θ時(shí)，vd (t)變?yōu)?。為達到控制目的，將其線(xiàn)性化為： vd (t)=(θ ? φ)

借助合理的環(huán)路濾波器設計，?(PLL頻率值)和?(相位值)可分別用于跟蹤ω(電網(wǎng)頻率值)和θ(相角值)。在二階環(huán)路中用到的比例積分(PI)型濾波器的計算公式如下：