文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172753
中文引用格式： 歐陽(yáng)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(duì)稱來(lái)研制的。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓三相不對(duì)稱時(shí),，光伏逆變器的運(yùn)行受影響：逆變器直流側(cè)電壓會(huì)出現(xiàn)2倍頻波動(dòng),；其輸出的并網(wǎng)電流三相不對(duì)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(shí)的正序電壓鎖相問(wèn)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(shí),，其過(guò)渡過(guò)程中存在超調(diào)較大、恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]采用自適應(yīng)觀測(cè)器來(lái)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(duì)電網(wǎng)不平衡下的光伏逆變器控制問(wèn)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(guò)給定正,、負(fù)序電流指令來(lái)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(gè)系統(tǒng)中含有四個(gè)電流PI控制器和一個(gè)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(wú)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(shí),，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(dòng),，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(duì)前文所述不平衡電網(wǎng)下的鎖相環(huán)存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢,、算法較復(fù)雜等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于SOGI的正,、負(fù)序分離鎖相模塊,，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)簡(jiǎn)單,；并通過(guò)在外環(huán)電壓控制器后引入二倍頻陷波器，來(lái)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(shí),，由對(duì)稱分量法可知,，電壓含有正、負(fù),、零序分量,，此時(shí)可以表示如下：
對(duì)于三相無(wú)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(duì)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(duì)輸入信號(hào)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(hào),，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(hào)v到輸出信號(hào)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(hào)的頻率相同時(shí)，則輸出信號(hào)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(duì)輸入信號(hào)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(duì)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(huì)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(shí)，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(wú)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(shí)并網(wǎng)功率存在二倍頻分量，所以此時(shí)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(wú)需電流正,、負(fù)序分離模塊，簡(jiǎn)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(duì)SOGI的理論分析,，在DSP28335平臺(tái)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(shí)，輸入信號(hào)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(shí)以同步坐標(biāo)系的d軸定向，來(lái)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(dòng)態(tài)性能與準(zhǔn)確度，充分說(shuō)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(duì)比仿真。仿真條件設(shè)定為電網(wǎng)A相0.3 s時(shí)驟降為原來(lái)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(duì)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(shí),，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(duì)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(shí)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(duì)電網(wǎng)電壓不對(duì)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(kāi)研究。為了加快不平衡鎖相環(huán)的響應(yīng)速度及簡(jiǎn)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(duì)簡(jiǎn)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(guò)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(yáng)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)