文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172753
中文引用格式: 歐陽森,,馬文杰. 不平衡電網(wǎng)下光伏逆變器的控制策略研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,,44(5):147-150.
英文引用格式: Ouyang Sen,,Ma Wenjie. Control strategy for PV inverter under unbalanced grid voltage[J]. Application of Electronic Technique,2018,,44(5):147-150.
0 引言
目前,,光伏逆變器均是假定電網(wǎng)電壓三相對稱來研制的,。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓三相不對稱時,光伏逆變器的運(yùn)行受影響:逆變器直流側(cè)電壓會出現(xiàn)2倍頻波動,;其輸出的并網(wǎng)電流三相不對稱,,總諧波畸變率(Total Harmonics Distortion,THD)上升,,甚至導(dǎo)致逆變器損壞[1-2],。
為解決電網(wǎng)不平衡時的正序電壓鎖相問題,文獻(xiàn)[3]提出了基于雙同步坐標(biāo)系解耦的軟件鎖相環(huán),。該方法具有較高的穩(wěn)態(tài)精度,,但是其依賴于相位反饋,因此當(dāng)電網(wǎng)相位突變時,,其過渡過程中存在超調(diào)較大,、恢復(fù)時間較長等問題。文獻(xiàn)[4]采用自適應(yīng)觀測器來進(jìn)行電網(wǎng)相位鎖定,,但是該算法程序計(jì)算量較大,,比較復(fù)雜。針對電網(wǎng)不平衡下的光伏逆變器控制問題,,文獻(xiàn)[5]中設(shè)計(jì)了正,、負(fù)分序的雙同步坐標(biāo)系控制系統(tǒng),通過給定正,、負(fù)序電流指令來實(shí)現(xiàn)恒定并網(wǎng)功率控制,。雖然控制效果良好,但是整個系統(tǒng)中含有四個電流PI控制器和一個電壓PI控制器,,各電流控制器的參數(shù)整定及相互協(xié)調(diào)比較困難,。文獻(xiàn)[6-7]基于靜止坐標(biāo)系中光伏逆變器的數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)了基于比例諧振控制器(proportional resonant,,PR)的交流無靜差控制系統(tǒng),,但由于PR控制器的頻率適應(yīng)性較差,當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生偏移時,,并不能取得滿意的控制效果,。文獻(xiàn)[8]為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)不平衡情況下穩(wěn)定控制光伏逆變器直流側(cè)電壓,,采取了只控制正序電流,不控制負(fù)序電流的策略,。由于在理論上該策略并不能完全實(shí)現(xiàn)恒功率并網(wǎng)控制,,因此,只能在一定程度上減弱直流側(cè)電壓的波動,,且為了進(jìn)行電壓補(bǔ)償需要設(shè)計(jì)較復(fù)雜的高通濾波器,,這在一定程度上降低了它的實(shí)用性。
本文首先針對前文所述不平衡電網(wǎng)下的鎖相環(huán)存在動態(tài)響應(yīng)較慢,、算法較復(fù)雜等問題,,設(shè)計(jì)了基于SOGI的正、負(fù)序分離鎖相模塊,,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其具有結(jié)構(gòu)簡單,、響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,,將抑制網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流作為控制目標(biāo),,設(shè)計(jì)了基于電網(wǎng)負(fù)序電壓前饋的不平衡控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)相對簡單,;并通過在外環(huán)電壓控制器后引入二倍頻陷波器,,來降低不平衡控制下并網(wǎng)電流的THD。最后,,利用PSCAD/EMTDC搭建仿真模型進(jìn)行系統(tǒng)性驗(yàn)證,,仿真結(jié)果證明了本文理論研究的正確性。
1 正負(fù)序分離
電網(wǎng)電壓不平衡時,,由對稱分量法可知,,電壓含有正、負(fù),、零序分量,,此時可以表示如下:
對于三相無中線系統(tǒng),,其不存在零序電流通路,,因此以下分析和討論均不考慮零序電壓。對式(2),、式(3)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換可得[1]:
其中,,q=e-jπ/2,為90°相位滯后因子,。由式(4)和式(5)可知,,若要實(shí)現(xiàn)正、負(fù)序分離,,可以對輸入信號進(jìn)行正交處理,。
基于內(nèi)模原理提出的二階廣義積分器其結(jié)構(gòu)如圖1,。其中,v為輸入的正弦信號,,ω′是濾波器中心頻率,,k是阻尼系數(shù),常取為
根據(jù)圖1可得輸入信號v到輸出信號v′和qv′的傳遞函數(shù)D(s)與Q(s)的幅值和相位頻率特性如下:
分析式(6),、式(7)可知,,當(dāng)SOGI的中心頻率與輸入信號的頻率相同時,則輸出信號v′與v具有相同的幅值和相位,,qv′與v幅值相同,,但是相位滯后90°,可以很好地實(shí)現(xiàn)對輸入信號的正交處理,。從而,,基于SOGI所設(shè)計(jì)的正、負(fù)序分離模塊如圖2所示,。
2 不平衡控制系統(tǒng)
根據(jù)對稱分量法,,不平衡電網(wǎng)電壓含有正、負(fù),、零序分量,,且正序和負(fù)序電壓各成系統(tǒng)。在電網(wǎng)負(fù)序分量的作用下會使得逆變器輸出電流三相不平衡,。本文以抑制網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流為控制目標(biāo),,當(dāng)控制負(fù)序電流為零時,不平衡電網(wǎng)下光伏逆變器的功率關(guān)系為:
式中,,p0,、p2c、p2s分別為并網(wǎng)有功功率中的平均值,、二倍頻分量,;q0、q2c,、q2s分別為并網(wǎng)無功功率中的平均值,、二倍頻分量;P上標(biāo)代表相應(yīng)的正序分量,,N上標(biāo)代表相應(yīng)的負(fù)序分量,。
由式(8)可知此時并網(wǎng)功率存在二倍頻分量,所以此時直流側(cè)電壓也含有二倍頻分量,,從而導(dǎo)致并網(wǎng)電流中含有3,、5、7次等諧波分量,。為此,,可以設(shè)計(jì)截止頻率較低的電壓外環(huán)控制器,,且在其后引入二倍頻陷波器,以濾除掉電壓的二次紋波,,保證電流品質(zhì),。
綜上,本文所設(shè)計(jì)的基于電網(wǎng)負(fù)序電壓前饋的控制系統(tǒng)如圖3所示,。該控制系統(tǒng)與常規(guī)光伏逆變器控制策略基本一樣,,與雙同步坐標(biāo)系控制系統(tǒng)相比,無需電流正,、負(fù)序分離模塊,,簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
3 正負(fù)序分離的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
據(jù)前文對SOGI的理論分析,,在DSP28335平臺上,,編程實(shí)現(xiàn)圖2所示的正、負(fù)序分離模塊,。實(shí)驗(yàn)時,,輸入信號中正序分量的幅值為100 V,負(fù)序的幅值為50 V,。
實(shí)驗(yàn)時以同步坐標(biāo)系的d軸定向,,來鎖定電網(wǎng)電壓相位,實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果如圖4,。由圖可知本文所設(shè)計(jì)的正,、負(fù)序分離模塊具有良好的動態(tài)性能與準(zhǔn)確度,充分說明了本文設(shè)計(jì)方案的正確性與實(shí)用性,。
4 不平衡控制系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證
為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)控制策略的正確性,,利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC搭建出三電平光伏逆變器的模型。具體仿真參數(shù)為:電網(wǎng)電壓Emax為220 V,;直流側(cè)穩(wěn)壓電容C為600 μF,;系統(tǒng)額定功率PN為10 kW;網(wǎng)側(cè)電感濾波器L為0.45 mH,。
基于此仿真系統(tǒng),,進(jìn)行了常規(guī)控制策略(I型策略)和有負(fù)序電壓前饋(II型策略)的對比仿真。仿真條件設(shè)定為電網(wǎng)A相0.3 s時驟降為原來的50%,。
圖5為I型策略控制下并網(wǎng)電流波形和A相并網(wǎng)電流的THD分析,。分析圖5可知,,光伏逆變器的輸出電流三相不對稱,,且電流的THD大增,已不符合光伏并網(wǎng)要求,。因此,,當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時,,I型策略控制下的光伏逆變器的運(yùn)行受到了嚴(yán)重影響,需要進(jìn)行策略改進(jìn),。
圖6為II型策略控制下并網(wǎng)電流波形和A相并網(wǎng)電流的THD分析,。
從圖6可以看出,A相電壓跌落后,,逆變器的并網(wǎng)電流仍舊能保持良好的對稱性,;在截止頻率設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾妷嚎刂破骱投额l陷波器的協(xié)調(diào)作用下,穩(wěn)態(tài)時電流的THD雖然有所增大,,但是仍保持在2.3%左右,。因此,II型策略能很好地應(yīng)對電網(wǎng)電壓不對稱的情況,,充分證明了本文方案的正確性,。
5 結(jié)論
本文以不平衡電網(wǎng)下的正、負(fù)序分離模塊為基礎(chǔ),,圍繞光伏逆變器的不平衡控制策略展開研究,。為了加快不平衡鎖相環(huán)的響應(yīng)速度及簡化其實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)了基于SOGI的鎖相模塊,,且利用實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證,;本文以抑制網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流為目標(biāo),設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單的基于網(wǎng)側(cè)負(fù)序電壓前饋的不平衡控制系統(tǒng),,且通過電壓控制器和二次陷波器的配合降低電流THD,,仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性。
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作者信息:
歐陽森1,,2,馬文杰1,,2
(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,,廣東 廣州510640;2.廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,廣東 廣州510640)