电网不平衡条件下光伏逆变器控制策略研究

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电网不平衡条件下光伏逆变器控制策略研究高正中 1，王立志 1，赵连成 2，刘隆吉 3，张道升 4，汪德洋 4，宋伟 4（ 1. 山东科技大学，山东青岛 266590； 2. 山东能源枣矿集团供电工程处，山东枣庄 277000；3. 青岛港湾职业技术学院，山东青岛 266404； 4. 国网山东省蓬莱市供电公司，山东烟台 265600）摘要某些条件下电网会发生不平衡故障，三相并网逆变器将受到影响，使得输出并网电流谐波含量大，对电网造成污染，严重时会导致并网逆变器无法正常工作，甚至损坏元器件。因此对三相并网逆变器在电网发生不平衡故障时控制策略的研究十分必要。本文论述了基于抑制逆变器交流侧负序电流的控制策略和基于抑制逆变器直流侧电压二次谐波的控制策略，并分别对 2 种控制策略的控制结果进行理论分析比较，同时利用 PSCAD仿真软件，对 2 种控制策略进行了仿真分析。关键词光伏发电；并网逆变器；三相不平衡Study on the Control Strategy of Photovoltaic Inverter in Unbalanced GridGAO Zhengzhong1， WANG Lizhi 1， ZHAO Liancheng2， LIU Longji 3， ZHANG Daosheng4，WANG Deyang4， SONG Wei4（ 1. ShandongUniversity of Science and Technology， Qingdao 266590， China； 2. Shandong EnergyZaozhuangMining Group Power Supply Engineering Department， Zaozhuang277000， China；3. Qingdao Harbour Vocational and Technical College Qingdao 266404， China 4. State GridShandongPenglai Electric Power Company， Yantai 265600， China）Abstract The fault of unbalance in the power grid is sometimeshappened under certain conditions, andthe three-phase grid connected inverter will be affected, leading to high harmonic contents of the outputgrid current and pollution to the grid and, in case of serious cases, the grid inverter cannot operateproperly and even damaged components. Therefore, it is necessaryto study the control strategy of thethree-phase grid inverter at the unbalance fault of grid. In this paper, the control strategy based onsuppressing the negative sequence current on the AC side of inverter and the control strategy based onthe secondaryharmonics of voltage on the DC side of the inverter are described. The control results of twocontrol strategies are analyzed and compared theoretically, meanwhile, the two control strategies aresimulated and analyzed by PSCAD simulation software.Keywords photovoltaic powergeneration； grid inverter； three-phaseunbalance0 引言20 世纪 80 年代以来，光伏并网发电技术发展迅猛，已成为全球高速发展的技术产业之一。正常条件下三相电网是平衡的，当发生某些故障时，电网会出现不平衡现象，对三相电网平衡度要求较高的系统会有较大的冲击。并网逆变器作为一种将直流电转换为与电网电压同幅、同频、同相的交流电的电能变换装置，是光伏并网系统的核心部件和技术关键，在光伏并网发电系统中并网控制的好坏将直接影响系统发电的质量。尤其当电网电压出现不平衡现象时，网侧电流将会叠加低频谐波分量，电流不再保持对称运行，严重时甚至会对电网中的其他负载造成影响，因此有必要研究在三相电网电压不平衡时网侧逆变器的并网控制策略［ 1-2 ］。对于不平衡电网来说，网侧逆变器控制由锁相环的控制和并网电流环的控制 2 个方面构成。锁相环需要准确快速锁定电网电压正序分DOI10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2016.01.015第 37 卷第 1 期 0071-00752016 年 2 月电力电容器与无功补偿Power Capacitor Reactive PowerCompensationVol.37 ， No.1 0071-0075Feb. 2016 收稿日期 2015-09-06基金项目中国博士后科学基金资助项目（ 2015T80729）71· ·2016 年第 1 期电力电容器与无功补偿第 37 卷图 1 抑制逆变器交流侧负序电流控制框图Fig. 1 Control block diagram of suppressing negative sequence current on the AC side of inverter量，为并网电流控制提供准确的相位信息；并网电流环则对网侧电流的幅值和相位进行控制，实现网侧逆变器正常运行［ 3-4 ］。假如在电网不平衡时三相并网逆变器控制仍采用平衡时控制策略，会造成逆变器出现不正常工作，不能满足并网要求，所以在三相电网不平衡时，对逆变器的控制需要采取新的控制算法。1 电网三相不平衡时逆变器瞬时功率计算当电网出现三相不平衡现象时，逆变器的网侧电压和并网电流中都存在正负序分量和谐波分量［ 5 ］。当忽略逆变器网侧电压和并网电流中的谐波分量时，即只考虑正负序分量和基波分量的影响，根据复功率的定义，存在的关系为SEI * PjQ。（ 1）式中 Eejω tE Pdqe-j ω t ENdqI * ejω tE Pdq-e -j ω tI Ndq。代入式（ 1）并计算得SPjQ[p0pc2cos（ 2ω t） ps2sin（ 2ω t） ]j[ q0qc2cos（ 2ω t） qs2sin（ 2ω t） ]。（ 2）式中 p0、 q0 分别为有功功率和无功功率的平均值；pc2、 qc2 分别为有功功率和无功功率的二次谐波余弦量的幅值； ps2、 qs2 分别为有功功率和无功功率的二次谐波正弦量的幅值［ 6-9 ］。2 抑制逆变器交流侧负序电流的控制方法根据式（ 1）、（ 2）可知，逆变器输出的有功功率和无功功率中都含有二次正弦项和二次余弦项，并且输出功率的大小均与 d 轴电流的正负序分量和 q轴电流的正负序分量有关。如果忽略输出有功功率和无功功率的二次分量并且令输出电流的负序分量为零［ 10-12 ］，式（ 2）可以改写为p0q000 32 epd epqepq epd0 0i pdi pd00。（ 3）可求得正序输出电流的指令值为i p*di p*q0023[（ epd） 2（ epq） 2]epd epqepq epd0 0p*0q*000。（ 4）式中（ epd） 2（ epq） 2≠ 0， p*0为输出有功功率平均值的指令值； q*0 为输出无功功率平均值的指令值。如果要实现逆变器的单位功率因数输出，可令 q *0 0 ，即实现了输出无功功率平均值为 0，但是实际的功率输出中，无功功率是波动的。因为有功功率 p *0 与直流侧电压大小有关，当对直流侧电压采用 PI 控制器进行调节时，可以实现对直流侧电压的无静差控制， PI 控制器的输出还与逆变器直流侧电流的指令值相对应，用公式表示为p*0[（ K vP K vls ）（ v*dc- vdc） ]v *dc 。（ 5）式中 KvP 为电压环控制器的比例调节系数； K vI 为电压环 PI 控制器的积分调节系数。将式（ 5）代入式（ 4）中，即可得到抑制逆变器交流侧负序电流控制算法的电流指令值 i P*d 和 i P*q 。对电流环控制采用前馈解耦控制策略，得到控制方程为 vP*d （ kiP kiIs ）（ i P*d - i Pd） - wL· I Pq ePd；vP*q （ kiP kiIs ）（ i P*q - i Pq） wL· I Pd ePq≠≠≠≠≠ 。（ 6）由式（ 3）式（ 6）可得抑制逆变器交流侧负序电流的控制框图如图 1 所示。3 抑制逆变器直流侧电压二次谐波的控制方法当逆变器输出电流中的负序电流为零，即满足关系式 i Nd i Nq 0 时，电网中的负序电压不为零，即存在关系式 eNd≠ 0 且 eNq≠ 0，输出有功功率的二次谐波分量仍然存在［ 13-14 ］，如式（ 7）所示。72· ·图 2 抑制逆变器直流侧电压二次谐波控制框图Fig. 2 Control block diagram of suppressing the second harmonics of voltage on the DC side of inverterpc2 32 （ eNdi PdeNqi Pq） ≠ 0；ps2 32 （ eNdi Pd-e Nqi Pq） ≠ 0≠≠≠≠≠ 。（ 7）根据功率守恒原理，逆变器直流侧电压中会产生二次谐波，需要采取相应控制算法来消除直流侧电压二次谐波。根据相关公式推导可知存在如下关系式 p*0q*0q *s2p *c2000000000000 32ePd ePq eNd eNqePq -e Pd eNq -e NdeNq -e Nd -e Pq ePdeNd eNq ePd ePq0000000000iP*diP*qiN*diN*q000000000000。（ 8）令 q*0p *s2 p *c2 0， p*0 则由式（ 5）推出。将这些已知条件代入式（ 8），并求逆变换得 iP*diP*qiN*diN*q000000000000ePd ePq eNd eNqePq -e Pd eNq -e NdeNq -e Nd -e Pq ePdeNd eNq ePd ePq0000000000-1 32 p*000000000000000000 2p*03DePdePq-e Nd-e Nq000000000000。（ 9）式中 D[（ ePd） 2（ ePq ） 2]-[ （ eNd） 2（ ePq） 2]≠ 0。根据式（ 9）可知，如果以抑制逆变器直流侧电压二次谐波为控制目标，那么逆变器交流侧电流中存在负序电流，并且无功功率的二次谐波分量不等于零［ 15-16 ］。同样运用式（ 6）的解耦方法，则抑制逆变器直流侧电压二次谐波的控制框图如图 2 所示。综上所述，采用抑制逆变器直流侧电压二次谐波控制方法是通过向逆变器的交流侧注入负序电流来实现的。通过采用逆变器交流侧正、负序电流独立控制的控制策略，实现了电网三相电压不平衡条件下对电网电压正、负序分量的准确跟踪控制，从而达到抑制逆变器直流侧电压二次谐波的目的。4 抑制逆变器交流侧负序电流控制方法仿真为了验证所述三相光伏并网控制策略，采用PSCAD 软件进行建模，参数如下光伏阵列最大功率 Pm 为 5 000 W，最大功率点电压 Um 为 366 V，最大功率点电流 I m 为 13.66 A ，开路电压 Uoc 为 454，短路电流 Isc 为 14.58；前级 Boost 输入电容 C1 为110 μ F， Boost 电感 L 1 为 150 mH；逆变器参数直流母线电压 Udc 为 700 V，直流侧电容 C 为 1 000 μ F，逆变器滤波电感 L 为 7 mH，开关频率 f 为 15 kHz；电网侧参数相电压有效值 U 为 220 V，频率 f 为 50 Hz。采用上述参数，当电网出现三相不平衡状态时，抑制逆变器交流侧负序电流控制策略仿真模型图如图 3 所示。图 4 为抑制逆变器交流侧负序电流算法中直流母线电压的仿真波形图，从图中可看出直流侧电压呈 2 倍频波动，且波动较大。图5 为采用抑制逆变器交流侧负序电流控制算法的逆变器并网电流波形图。从图 5 中可看出駣用抑制网侧负序电流的控制策略后，提高了三相并网电流的平衡度，使得三相并网电流基本平衡，且有效改善了在不对称故障期间光伏发电系统的并网电能质量。但是，系统在不对称电压跌落和负序电流作用下，直流侧母线电压仍然存在 2 倍频波动，且波动较之前有所减小。因此，在电网不对称故障期间，駣用抑制网侧负序电流控制策略对改善光伏并网逆变器的输出电能质量有良好的效果。5 直流侧电压二次谐波控制方法仿真利用 PSCAD 仿真软件搭建抑制逆变器直流侧电压二次谐波的控制策略仿真模型图，如图 6 所示。2016 年第 1 期高正中，等电网不平衡条件下光伏逆变器控制策略研究（总第 163 期）73· ·2016 年第 1 期电力电容器与无功补偿第 37 卷图 6 抑制逆变器直流侧二次谐波控制策略模型图Fig. 6 Control strategy model diagram of suppressing second harmonics on the DC side of inverter图 4 直流母线电压仿真波形图Fig. 4 Simulation waveform diagram of DC busbar voltage 图 5 逆变器并网电流波形图Fig. 5 Grid current waveform diagram of inverter图 3 抑制逆变器交流侧负序电流控制策略模型图Fig. 3 Control strategy model diagram of suppressing negative sequence current on the AC side of inverter74· ·图 7 为抑制直流侧电压二次谐波算法中直流母线电压的仿真波形图。图中可以看出，直流电压波动较小且近似为直流，因此此控制算法有效抑制了直流侧的电压波动。图 8 为电网三相不平衡时并网逆变器交流侧并网电流波形。图中可以看出为了抑制直流侧电压的二次谐波，等效于在并网电流中加入了负序分量来实现，在陷波器作用下，消除了直流母线电压的2倍频波动，被限制在给定电压的最大波动范围内。由于在并网电流中加入了负序分量，使并网电流出现了三相不平衡现象。因此，抑制直流侧电压二次谐波和实现交流侧电流平衡之间是无法同时实现的，需要根据实际工作状况选择相应的控制算法。6 结束语通过仿真波形可知，当采用抑制逆变器交流侧负序电流控制算法时，逆变器交流侧并网电流三相对称，但逆变器直流侧电压中存在二次波动。当采用抑制直流侧电压二次谐波控制算法时，逆变器直流侧电压波动较小，但逆变器的并网电流中存在负序分量且并网电流波形出现了明显的畸变。因此实际应用中具体采用哪种控制算法需要根据设计要求进行选取。参考文献［ 1］ WANG Y ， XU L， WILLIAMS B W. 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