新的并网系统无差拍功率控制策略

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报2（2015）242一种新的并网系统无差拍功率控制策略Yousry Atia， Mahmoud M.塞勒姆电子研究所，国家研究中心大楼，El-Tahrir街，Dokki，12311吉萨，埃及接收日期：2014年7月12日;接收日期：2015年2月8日;接受日期：2015年2月27日2015年9月12日在线发布摘要介绍了一种新的三相电压型逆变器（VSI）功率控制方法。在该方法中，有功和无功功率的控制是基于无差拍控制策略。首先，在不同的方法中引入了参考电流和实际电流之间的然后进行电流功率替代，以获得所需的逆变器电压和瞬时功率误差之间的直接关系不需要坐标变换或PLL，其中所需的逆变器电压矢量计算在α所提出的技术在控制功能中引入了两个交叉耦合组件包括这两个分量，控制器可以实现几乎为零的被控变量的稳态跟踪误差为了获得固定的开关频率操作，空间矢量调制（SVM）被用来合成所需的逆变器电压矢量，并产生用于VSI的开关脉冲该策略具有直接功率控制（DPC）技术的简单性，该策略是实验实现使用定点微控制器。仿真和实验结果证实了所提出的策略的优越性。©2015 作 者 。 ElsevierB.V. 制 作 和 托 管 这 是 CCBY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：无差拍;功率控制;并网系统;分布式发电1. 介绍如今，对可再生能源发电系统的需求迅速增长光伏、风能和燃料电池能源作为可再生能源获得了最大的效用（Mohamed和El-Saadany，2011年;Blaabjerg等人，2006; Alsayed等人， 2013年）。 为了将电力从这些电源传输到公用电网，需要三相DC/AC VSI。VSI的控制可分为直接控制策略和间接控制 虽然这些控制策略可以实现相同的主要目标，例如精确和快速的功率控制以及接近正弦电流，但它们的原理不同（Monfared和 Rastegar ， 2012;Larrinaga 等 人 ， 2007 年 ） 。 间 接 功 率 控 制 的 常 用 方 法 是 电 压 定 向 控 制 （ VOC ）（Malinowski等人，2001; Malinowski，2001; Aurtenechea等人， 2006年）。 VOC基于*通讯作者。联系电话：+20 1064419624。电子邮件地址：yousry atia@yahoo.com（Y。Atia），masalem32@yahoo.com（M.M.Salem）。电子研究所（ERI）负责同行评审。http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2015.02.0012314-7172/© 2015作者。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。Y. Atia，M.M.Salem/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）242243Fig. 1. 并网系统。图二. 离散参考和实际电流。电流矢量相对于电网电压矢量的方向在这种技术中，线电流被解耦成d-q锁相环路（PLL）通常用于提取变换角。此外，需要两个PI电流控制器来控制线电流的解耦分量以实现间接功率控制。逆变器开关的控制信号可以使用SVM或正弦PWM策略产生。VOC提供良好的瞬态特性，PI电流控制器确保零稳态误差。除了其复杂性之外，VOC控制方案的一个主要缺点是其性能高度依赖于PI控制器参数的整定。直接功率控制（DPC）基于瞬时有功和无功功率控制（Noguchi等人，1998;Hu和Zhu，2011; Atia和Salem，2013）。在DPC中，没有内部电流控制环路，也没有PWM调制器，因为逆变器开关状态是根据功率元件的瞬时误差通过查找表适当选择的（Hu和Zhu，2011）。 与VOC相比，DPC算法简单，无电流控制环，无坐标变换，无单独的PWM电压调制器，有功和无功分量的控制不需要解耦，具有更好的动态性能。另一方面，可变和较高的开关频率是DPC方案的众所周知的缺点（Atia和Salem，2013）。此外，需要电网电压的角度信息，因为逆变器输出矢量的选择主要取决于该角度。然后，需要PLL来提取VOC中的信息。基于预测功率模型的具有SVM的恒定开关频率DPC策略在（Atia和Salem，2013;Malinowski等人，2004;Bouafia等人，2010 a，b;Restrepo等人，2013年）。在所有这些试验中，都引入了复杂的数学计算，失去了DPC的优势。在（Monfared和Rastegar，2012）中提出了用于低成本三相转换器的无差拍功率控制策略。该方法根据有功功率和无功功率的参考值和实测值直接计算出所需的变流器电压。计算是在同步参考系中进行的，需要锁相环来获得电网角信息。提出了一种三相电压型逆变器直接功率控制的新方法有功功率和无功功率的控制是基于无差拍控制策略。该方法首先通过不同的方法引入参考电流与实际电流的差异，然后进行电流功率替代，得到直接的244Y. Atia，M.M.Salem/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）242vβ（t）uβ（t）DTiβ（t）图三.拟定控制系统框图。表1系统参数进行仿真和实验测试。DC总线电压113伏Transformer匝数比36/220伏网相电压220 V电网频率50 Hz电感18 mH开关频率10 kHz通过简单的数学计算，确定所需逆变器电压与有功和无功功率信号瞬时误差之间的关系计算在αβ-定常坐标系中进行。因此，在不需要电网电压角信息的情况下，不需要同步坐标变换或PLL。所提出的技术在控制功能中引入了两个交叉耦合组件包含这两个分量，控制器可以实现快速的动态响应和几乎为零的稳态跟踪误差。SVM用于合成所需的逆变器电压矢量，并产生用于VSI的开关脉冲与VOC相比，不需要电流控制回路。在保持DPC技术的简单性的同时，所提出的策略具有固定的开关频率操作。2. 系统配置和建模图1示出了并网配电发电系统中的三相电压源逆变器的示意图。该系统是由三相两电平逆变器连接到公用电网通过三相电感。逆变器用于将功率从分布式发电系统传输到公用电网。2.1. 在α-β坐标系下的系统模型考虑电网电源是理想电压源，忽略电阻（r），逆变器输出电压（v）和α- β参考系中的电网电压（u）vα（t）Y. Atia，M.M.Salem/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）242245140700.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1500-500.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.150210 0-1-2-500.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1时间（秒）见图4。单位功率因数下的仿真结果。700UAia时间（秒）图五.零功率因数时的仿真结果。Q（VARP（Wua（Vua（VP（WQ（VARI（AIa（A-7001400.010.020.030.040.050.060.070.080.090.170000.010.020.030.040.050.060.070.080.090.140220100-20-1-40-200.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1246Y. Atia，M.M.Salem/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）242Ia（A100500.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1100500.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.140220100二十岁四十两0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1时间（秒）见图6。滞后功率因数为0.7时的仿真结果。表2功率稳态误差、有无交叉耦合分量的THDP（W）Q（Var）THD %without with without With50 50 4 0.8 −2.7 0.2 2.33100 100 3.6 0.4 −2.9 0.1 1.21150 150 3.53 0.33 −3 0 0.87基于无差拍控制（Nesic，1996; Ma等人，2008; Moreno等人， 2009）并且为了使实际电流跟随参考电流，逆变器矢量可以以离散形式表示为：vα（k）vβ（k）uβ（k）Tiβ（k+1）−iβ（k）基于无差拍控制方案，满足以下关系iα（k+1）iβ（k+1）iβref（k）因此，通过将（3）代入（2），（2）可以写成以下形式：vα（k）vβ（k）uβ（k）Tiβref（k）−iβ（k）图图2示出了在α - β中获得参考电流与实际电流之间的差的新方法frame.在该方法中，考虑实际电流的变化率。P（WQ（VARua（VUAiaY. Atia，M.M.Salem/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）242247⎣⎦ diβ（t）ωIsin（ωt）Δiβ（k）Tω iα（k）iβ（k）Q（k）⎢ωiα（t）根据图2，（4）可以写成以下形式：vα（k）vβ（k）uβ（k）Tiβref（k）−iβ（k）−iβ（k）为了计算iαβ（k），假设iαβ（t）是两个平衡正交函数，如下所示：iα（t）中国（6）iβ（t）−Icos（ω t）通过（6）的微分：diα（t）DTΣΣ ΣωIcos（ω t）==−ωiβ（t）（七）diα（t）在离散形式中，（8）可以写成：<$Δiα（k）<$=<$−Tω iβ（k）<$（9）其中T是离散系统的采样周期。如（9）所示，iβ出现在iα的方程中，iα出现在iβ的方程中。因此，（9）在α- β坐标系中为电流方程引入了两个新的交叉耦合分量另一方面，电网有功功率和无功功率可以在α- β参考系中计算<$P（k）<$=3<$uα（k）uβ（k）<$$>iα（k）<$（10）Q（k）2uβ（k）−uα（k）iβ（k）电流分量可以从（10）获得为：<$iα（k）<$=f（k）<$P（k）<$（11）iαref（k）其中：iβref（k）Q参考值（k）2f（k）=3（u2（k）+u2（k））uα（k）uβ（k）uβ（k）−uα（k）Σdiβ（t）ωiα（t）dt248Y. Atia，M.M.Salem/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）242Δiβ（k）Tω P（k）中国（13）αβ从（9）和（11）：<$Δiα（k）<$=f（k）<$−Tω Q（k）<$（14）将（11）、（12）和（14）代入（5）、（5）可以写成如下：vα（k）<$=vβ（k）uβ（k）TΔQ（k）−TωP（k）Y. Atia，M.M.Salem/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）2422497000.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1700电话：+86-021 - 8888888传真：+86-021 - 888888840040-210-1-20.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.090.1时间（秒）见图7。有功功率阶跃变化的仿真结果。100500电话：+86-510- 8888888传真：+86-510 - 8888888100500电话：+86-510- 8888888传真：+86-510 - 8888888502100-1五十两0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1时间（秒）见图8。无功功率阶跃变化的仿真结果。Q（VARua（VP（WQ（VARP（Wua（V）I（AIa（AUAiaUAia250Y. Atia，M.M.Salem/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）242图9.第九条。从单位PF到零PF操作的有功功率和无功功率阶跃变化的仿真结果见图10。 实验设置电路。使用（15），可以基于有功功率和无功功率的瞬时误差直接计算α- β参考系中所需的逆变器电压该电压能够通过下一个采样结束时的无差拍来清除功率误差在该方程中有两项，称为交叉耦合分量项TωQ（k）和TωP（k）。所提出的具有这些交叉耦合组件的无差拍控制器（这是本文的主要贡献）类似于同步帧控制器中存在的解耦分支的行为（George等人， 2010年）的报告。如果没有这两项，有功功率和无功功率就会产生稳态误差。包括这两项，所提出的控制器可以实现几乎为零的稳态跟踪误差的功率信号。从（15）式可以清楚地看出控制器的简单性。控制动作仅包括在每个采样周期内计算两个简单的代数方程，可以很容易地使用定点微控制器来实现。 图 3示出了所提出的控制系统的框图。Y. Atia，M.M.Salem/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）242251见图11。微控制器和信号调理卡。图12个。实验稳态单位功率因数运行情况。标度：时间= 20 ms/格，P= 70 W/格，Q= 70 var/格，u= 40 V/格，i= 1 A/格。3. 仿真结果为了验证无差拍控制策略推导方程的正确性，在Matlab/Simulink环境下建立了三相并网系统的仿真模型表1中给出了模拟的系统参数。模拟分两个阶段进行：稳态和瞬态操作。3.1. 稳态响应仿真结果图图4-6示出了所提出的控制器对有功功率和无功功率的各种稳态条件的响应。图4示出了单位功率因数操作，其中有功功率仅被传输到电网并且无功功率参考被设置为零。如该图所示，A相电流与A相电压同相图 5示出零功率因数运行，其中有功功率被设置为零，无功功率仅传输到电网。A相电流滞后A相电压90Ω。 图 6表示0.7滞后功率因数运行。在此图中，A相电流滞后A相电压45Ω，其中有功和无功参考功率设置为相等值。这些波形证实了所提出的控制器的正确操作如这些图所示，控制器提供精确的调节注入电网的有功功率和无功252Y. Atia，M.M.Salem/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）242图13岁零功率因数情况下的实验稳态运行标度：时间= 20 ms/格，P= 70 W/格，Q= 70 var/格，u= 40 V/格，i= 1 A/格。见图14。 滞后功率因数为0.7时的实验稳态运行。标度：时间= 20 ms/格，P= 70 W/格，Q= 70 var/格，u= 40 V/格，i= 1 A/格。表2示出了具有和不具有交叉耦合项的控制器性能之间的比较下表显示了两种情况下的有功功率和无功功率的稳态误差以及注入电流的THD。通过在控制器中引入交叉耦合项，稳态误差α P和α Q显著减小。此外，总谐波失真随着输送功率的增加而减小。3.2. 瞬态响应仿真结果图图7-9示出了具有所提出的控制器的仿真系统的瞬态仿真结果。在这些图中，设置了参考有功功率或无功功率或两者的阶跃变化，并记录了A相电压与注入电流的结果 图图7示出了有功功率的阶跃变化，其中无功功率仍然为零值。在该图中，有功功率的快速动态响应很明显（上升时间小于1.2 ms），而对无功功率没有影响此外，图7示出了在该变化期间电流性能的优越性。图8示出了无功功率的阶跃变化，其中有功功率仍然恒定。在阶跃变化之前，功率因数为1。阶跃变化后Y. Atia，M.M.Salem/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）242253图十五岁Q= 0时P的阶跃变化;绘图：P、Q和A相电压和电流。标度：时间= 20 ms/格，P= 70 W/格，Q= 70 var/格，u= 40 V/格，i= 1 A/格。图十六岁P= 0时Q的阶跃变化;绘图：P、Q和A相电压和电流。标度：时间= 20 ms/格，P= 70 W/格，Q= 70 var/格，u= 40 V/格，i= 1 A/格。瞬时，有功功率和无功功率值相等，因此注入的电流滞后于电压信号约45μ s，导致滞后功率因数为0.707 如图 8、无功功率和电流波形的过渡快速而平滑。 图图9示出了有功功率和无功功率的阶跃变化。步骤变更前瞬时功率因数为1，而在阶跃变化之后功率因数为零。 图图9示出了A相电压和电流之间的关系，以阐明该变化。如图所示，所提出的控制器的快速功率跟踪能力是清楚的。4. 实验验证实验室样机的建立，以验证所提出的并网发电系统的功率控制策略。254Y. Atia，M.M.Salem/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）242=图十七岁P/0时Q的阶跃变化;绘图：P、Q和A相电压和电流。标度：时间= 20 ms/格，P= 70 W/格，Q= 70 var/格，u= 40 V/div，i= 1 A/div。图十八岁P和Q的阶跃变化;从单位PF到零PF。图：A相电压和3相电流。标度：时间= 20 ms/div，u= 40 V/div，i= 1 A/格。4.1. 实验装置电路图10示出了所提出的并网系统的实验设置。该系统由三相电压互感器、三相电感、四路隔离放大器、升压变压器、控制卡和四路示波器组成。图11显示了包含Maple微控制器板和信号调理电路的控制卡。实验系统参数与表1中列出的模拟系统相同。4.2. 实验结果实验结果分为两类：稳态和瞬态操作。稳态结果，以确认所提出的控制器的正确操作瞬态运行显示了动态Y. Atia，M.M.Salem/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）242255图19. 逆变器电压矢量分量，vα和vβ，其幅值vs和角度θ。标 度：时间= 20 ms/div，V = 50 V/div，θ= 0：2π。用于跟踪参考命令的变化。实验结果的垂直标度如下：P= 70 W/div，Q= 70 var/div，u= 40 V/div，i= 1A/div。4.2.1. 实验稳态结果图图12 -14示出了所提出的系统的实验稳态操作。这些图说明了在不同运行情况下输送到电网的有功功率和无功功率、A相电压和电流 图图12示出了单位功率因数的情况。 图图13示出了零功率因数的情况，其中有功功率的参考被设置为零。在这种情况下，A相电压和电流之间的相移为90Ω，系统充当无功功率补偿器。图图14显示了0.707滞后功率因数运行，其中有功功率和无功功率相等，A相电流滞后A相电压45 Ω，如图所示。图图12-14示出了所提出的控制器可以使用定点微控制器来实现，以精确地以允许的电流THD（THD = 2.3%）控制注入电网的有功和无功功率4.2.2. 实验瞬态响应结果实验系统的暂态运行包括记录有功和无功功率、三相电流（或A相电流）波形以及每个运行情况下的A相电压。图15示出了在没有注入无功功率时有功功率的阶跃变化的瞬态响应。注入的相电流与其电网相电压同相。该图说明了系统的快速动态响应 图图16示出了无功功率很明显，注入到电网的电流滞后于电网电压90Ω，并且快速动态响应是明显的。图17示出了无功功率阶跃变化而注入有功功率没有变化的系统性能。在阶跃变化之后，有功功率和无功功率具有相同的值。在参考无功功率阶跃变化后，操作从阶跃变化前的单位功率因数（电流与电压同相）转换为滞后功率因数（45Ω滞后）图图18示出了有功功率和无功功率的阶跃变化。在阶跃变化之前，参考有功功率具有一个值，而参考无功功率等于零（单位功率因数）。在阶跃变化之后，参考无功功率具有一个值，而参考有功功率等于零（零功率因数）。该图显示了这些变化对A相电压和三相电流的影响，如垂直虚线所示。瞬态性能表明控制系统对参考阶跃变化的快速跟踪。此外，在有功功率或无功功率的阶跃变化期间，彼此之间没有影响。如果没有逆变器电压分量（vα，vβ）的精确计算，就无法获得具有精确性能的系统。因此，逆变器电压的计算值vα，vβ，vs和矢量角θ256Y. Atia，M.M.Salem/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）242在图19中显示。如图所示，vα和vβ为纯平衡正弦正交信号，可确保仿真和实验结果所示的正弦平衡输出电流。SVM使用逆变器电压分量的这些值来生成逆变器开关的PWM信号。5. 结论本文提出了一种基于支持向量机的α- β参考系无差拍功率控制器介绍了一种新的然后进行电流功率替代，以获得所需的逆变器电压和瞬时功率误差之间的直接关系。在α该方法在控制函数中引入了两个交叉耦合分量，使得被控变量的稳态误差接近于零。与其他技术相比，该方法不需要电流控制回路和坐标变换。所提出的策略具有DPC技术的简单性和固定开关频率操作的优点实验上，一个定点微控制器被用来实现所提出的算法。考虑到实际的考虑，以保证所需的逆变器电压矢量的精确计算稳态和瞬态操作的仿真和实验结果。稳态结果表明，所提出的控制器可以提供精确的有功和无功功率的控制与最小的总谐波失真注入电流。 所提出的瞬态性能表明所提出的控制器的快速跟踪能力，以遵循参考功率信号。实验装置和结果证明了所提出的控制技术的简单性和优越性引用Alsayed，M.，Cacciato，M.，Scarcella，G.，Scelba，G.，2013年。 光伏-风力涡轮机并网系统的多准则最优尺寸确定。 IEEETrans. 能源转换器。28（June（2）），370-379.Atia ， Y. ， 塞 勒 姆 ， M. ， 2013 年 12 月 。 可 再 生 能 源 并 网 系 统 改 进 预 测 直 接 功 率 控 制 策 略 的 分 析 与 设 计 。 In ：3rdInternationalConferenceonAdvancedControlCircuitsandSystems（ACCS'013）30 No v 2003，Luxor，Egypt，pp. 1003 -1012Aurtenechea，S.，罗德里格斯，硕士，Oyarbide，E.，Torrealday，J.，2006年。 预测直接功率控制--DC/AC变换器的一种新控制策略第32届IEEE工业电子年会，1661-1666，IECON。Blaabjerg，F.，Teodorescu河，Liserre，M.，Timbus，A.V.，2006. 分布式发电系统的控制和电网同步。IEEETrans. 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