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
其中,α=1 ? T/τ,T為采樣周期。圖1為單項逆變器PLL的功能框圖。圖2顯示三相PLL算法。
防孤島效應
為安全起見,當公用電網(wǎng)由于某種原因中斷后,并網(wǎng)逆變器須與公用電網(wǎng)斷開。這樣,當電網(wǎng)系統(tǒng)不受電力公司直接控制時,就可以防止注入電網(wǎng)系統(tǒng)的電能對供電人員和設備造成傷害。當電網(wǎng)未運轉時,如果逆變器將電能注入電網(wǎng),將會產生孤島效應。
所有并網(wǎng)逆變器必須具有過頻/欠頻(OFP/UFP)和過壓/欠壓(OVP/UVP)保護方法,以便當電網(wǎng)電壓或頻率超出可接受的范圍時,防止逆變器為電網(wǎng)供電。圖3顯示了逆變器與公用電網(wǎng)的典型連接。逆變器的輸出功率為P +jQ,本地負載為Pld +jQld,其余功率由電網(wǎng)ΔP +jΔQ提供。電網(wǎng)斷開后,系統(tǒng)是否運轉由ΔP和ΔQ的值決定。如果ΔP≠0,電網(wǎng)電壓的振幅將產生變化,且OVP/UVP能夠檢測到這種變化并防止孤島效應的產生。如果ΔQ≠0,電網(wǎng)的相位會產生突然轉移,OFP/UFP將對頻率的變化和孤島條件進行檢測。當逆變器實際功率和無功功率與負載不匹配時,或者當負載網(wǎng)絡的諧振頻率值與逆變器OVP/UVP的諧振頻率值之間存在很大差距時,可利用OFP和UFP來檢測孤島條件。然而,僅通過逆變器來滿足負載要求時,檢測孤島條件的難度就大大增加了。逆變器的認證測試要求(例如IEEE1547)旨在考察當ΔP和ΔQ的值都接近于0時,逆變器的響應時間。
圖3:逆變器與公用電網(wǎng)的接口
不可檢測區(qū)(NDZ)的概念用于確定在給定ΔQ、ΔP值的條件下防孤島算法的有效性。孤島檢測的反應時間取決于NDZ。ΔQ的NDZ值的計算公式如下:
有很多種主動和被動的方法可以檢測孤島條件。被動方法要么難以實現(xiàn),要么有較大的不可檢測區(qū)。而主動方法則需要向電網(wǎng)加入干擾信號。為避免電網(wǎng)在正常工作狀態(tài)下變得不穩(wěn)定,必須對干擾信號的加入進行合理控制或使其與其它逆變器協(xié)調。如能同時實現(xiàn)桑迪亞頻率移動算法和桑迪亞電壓移動算法,將能夠非常有效地檢測孤島效應。桑迪亞頻率移動算法基本是在頻移算法的基礎上進行了改動,見下列公式:
cf = cf 0 + K(fa ? fline),
其中,K是一個加速器,當電網(wǎng)斷開后,它可以使逆變器輸出頻率變得不穩(wěn)定。
桑迪亞電壓移動算法與頻移算法相似。逆變器輸出電流根據(jù)電網(wǎng)電壓的變化增加一個額外的項,見下列公式:
iout = iref + KΔV。
這兩種方法均導致逆變器輸出波形的電能質量變差。波形的質量與預期的檢測時間可通過K值進行權衡取舍。桑迪亞算法通過逆變器向電壓和頻率調節(jié)加入少量正反饋,因此逆變器會不斷嘗試讓電網(wǎng)變得不穩(wěn)定。當電網(wǎng)穩(wěn)定性強時,這個算法可以產生非常好的效果;但試想一下,如果可再生資源進一步加大滲透力度,會發(fā)生怎樣的情形呢?
電流調節(jié)
電流調節(jié)算法用來控制需要傳輸?shù)诫娋W(wǎng)中的輸出電能量。要想對最大電能進行有效處理,電流調節(jié)算法的精度非常關鍵。為符合適用標準對總諧波失真的限制,電流調整算法的質量也十分重要。
業(yè)界提出了許多控制算法來控制逆變器并網(wǎng)運行時的輸出電流。帶有各種閉環(huán)補償器的遲滯型控制器是在可變或恒定的開關頻率下運行的。此處介紹一個易于實現(xiàn)的有效電流調節(jié)算法,該算法可與各種電網(wǎng)同步方法配合使用,也適用于多級逆變器。
為控制正弦逆變器輸出電流,可將動態(tài)坐標系轉換成參考坐標系,在該坐標系中,預期的波形是一個直流量,而不是特定頻率的正弦曲線。也就是說,這是一個dq參考坐標系。這樣,可以利用積分控制操作消除穩(wěn)態(tài)誤差。完成dq坐標系轉換后,逆變器的電氣動態(tài)特性如下:
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