電網(wǎng)諧波下并網(wǎng)逆變器功率脈動(dòng)抑制策略

張小剛，李永剛，孫 偉，李建文

（1．國(guó)網(wǎng)江西省電力公司九江供電分公司，江西九江 332000；2．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003；3．國(guó)網(wǎng)河北省電力公司保定市供電公司，河北保定 071000）

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電網(wǎng)諧波下并網(wǎng)逆變器功率脈動(dòng)抑制策略

張小剛1，李永剛2，孫 偉3，李建文2

（1．國(guó)網(wǎng)江西省電力公司九江供電分公司，江西九江 332000；2．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003；3．國(guó)網(wǎng)河北省電力公司保定市供電公司，河北保定 071000）

摘 要：電網(wǎng)電壓中常含有一定的5次、7次諧波，導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器輸出功率產(chǎn)生6倍頻脈動(dòng)。為提高并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行性能，采用了一種基于諧振調(diào)節(jié)器的直接功率脈動(dòng)控制策略，以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器輸出有功功率和無(wú)功功率無(wú)波動(dòng)的目的?；谒矔r(shí)功率理論，通過(guò)改變注入系統(tǒng)的有功和無(wú)功電流分量，結(jié)合諧振控制器抑制功率振蕩。改進(jìn)后的系統(tǒng)工作時(shí)無(wú)需獲取諧波電流與電壓的正負(fù)序分量，簡(jiǎn)單實(shí)用?；?kW光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此控制策略能有效提高光伏并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化；并網(wǎng)逆變器；功率脈動(dòng)；諧振調(diào)節(jié)器；光伏并網(wǎng)

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張小剛，李永剛，孫 偉，等．電網(wǎng)諧波下并網(wǎng)逆變器功率脈動(dòng)抑制策略［J］．河北工業(yè)科技，2016，33（2）：163－168．

ZHANG Xiaogang，LI Yonggang，SUN Wei，et al．Power pulsation control strategy for grid－connected inverter under harmonically distorted voltage conditions［J］．Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2016，33（2）：163－168．

Keywords：electric power system and its automation；grid－connected inverter；power pulsation；resonant controller；photovoltaic grid connected

隨著能源和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，可再生能源發(fā)電技術(shù)，特別是光伏發(fā)電技術(shù)得到了廣泛關(guān)注和長(zhǎng)足發(fā)展，并網(wǎng)逆變器也成了研究的焦點(diǎn)［1－2］。然而IEEE 519—1992［3］及ERG 5／4－1［4］等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定電網(wǎng)電壓中允許存在不超過(guò)5％的5次、7次諧波分量。在這種情況下，經(jīng)典的矢量控制策略會(huì)使得并網(wǎng)逆變器的輸出功率發(fā)生6倍頻的振蕩［5－6］，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

目前對(duì)功率脈動(dòng)的抑制，基本是通過(guò)計(jì)算脈動(dòng)功率為0時(shí)的電流指令，將其強(qiáng)制注入電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的。文獻(xiàn)［7］—文獻(xiàn)［9］通過(guò)對(duì)電流基、諧頻分離，分別設(shè)計(jì)基頻同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和各諧頻同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的多PI電流控制方案。然而該算法需要正負(fù)序分解，計(jì)算量大，必然帶來(lái)控制上的延遲。文獻(xiàn)［10］—文獻(xiàn)［12］針對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡的情況，提出了比例諧振控制策略，可以在兩相靜止坐標(biāo)系中對(duì)輸出電流直接進(jìn)行控制。

本文針對(duì)電網(wǎng)電壓中的5次、7次諧波產(chǎn)生的6倍頻功率脈動(dòng)，為避免對(duì)電網(wǎng)電壓及電流基、諧頻分量提取和諧波指令的計(jì)算，在諧波電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用了一種功率脈動(dòng)直接閉環(huán)控制策略。通過(guò)所構(gòu)建的諧振閉環(huán)，以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器輸出有功功率和無(wú)功功率無(wú)波動(dòng)的目的。最后，基于1kW光伏并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)論文所提策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 諧波電網(wǎng)電壓下的并網(wǎng)逆變器模型

圖1為并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)示意圖，uia，uib，uic為逆變器輸出電壓，ega，egb，egc表示三相電網(wǎng)電壓，iga，igb，igc表示三相電網(wǎng)電流，電流方向從逆變器側(cè)指向網(wǎng)側(cè)，Lg表示網(wǎng)側(cè)濾波電感。

圖1　三相并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig．1 Topological graph of three－phase GCI

在abc坐標(biāo)系上，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，有

在電網(wǎng)含諧波的背景下，各電磁矢量之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（2）所示，其中F表示電磁矢量：

將所有變量都轉(zhuǎn)到dq＋坐標(biāo)系下后表達(dá)式如式（3）所示：

式中：上標(biāo)＋，5－，7＋分別表示dq＋，dq5－，dq7＋同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系；下標(biāo)＋，5－，7＋分別表示電磁矢量F的基頻、5倍頻、7倍頻分量。

圖2為αβ坐標(biāo)系下、正向dq＋坐標(biāo)系和反向dq5－坐標(biāo)系以及正向dq7＋坐標(biāo)系之間的關(guān)系。將式（1）進(jìn)行同步坐標(biāo)變換后，表達(dá)式如式（4）所示：

式中：ω1為同步旋轉(zhuǎn)角速度分別為電網(wǎng)電流、電網(wǎng)電壓、逆變器側(cè)電壓在dq＋坐標(biāo)系下的d軸和q軸分量。

圖2　αβ坐標(biāo)系下基波與5倍頻、7倍頻dq坐標(biāo)系的矢量圖Fig．2 Vector diagram ofαβ，dq＋，dq5－and dq7＋reference frames

根據(jù)等值靜止同步坐標(biāo)變換與功率之間的關(guān)系，可以得出同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下系統(tǒng)功率方程為

式中：Pg，Qg是并網(wǎng)逆變器的輸入有功和無(wú)功能量；e＋gdq是電網(wǎng)電壓在dq＋坐標(biāo)系下的分量；＾i＋gdq是電網(wǎng)電流i＋gdq的共軛在dq＋坐標(biāo)系下的分量。整理可得公式（6），詳細(xì)推導(dǎo)可見(jiàn)文獻(xiàn)［9］。

式中：Pg0為有功直流分量，Pgcos 6為有功6倍頻余弦分量，Pgsin 6為有功6倍頻正弦分量；Qg0為無(wú)功直流分量，Qgcos 6為無(wú)功6倍頻余弦分量，Qgsin 6為無(wú)功6倍頻正弦分量。考慮到12倍頻脈動(dòng)分量的含量遠(yuǎn)低于6倍頻脈動(dòng)分量，故文中重點(diǎn)研究6倍頻脈動(dòng)，忽略12倍頻脈動(dòng)的影響。

2 功率脈動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)

2．1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖3給出了整個(gè)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖，其中高頻功率提取通過(guò)高通濾波后經(jīng)諧振調(diào)節(jié)器提取并調(diào)節(jié)，諧振點(diǎn)頻率為300Hz。

圖3　功率脈動(dòng)抑制總體控制框圖Fig．3 Suppression of power ripple overall control block diagram

2．2 基頻控制策略

采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方案［13］，根據(jù)式（4）得出并網(wǎng)逆變器基頻控制方式如式（7）所示：

式中：KP和KI分別為調(diào)節(jié)器的比例、積分系數(shù)；u＊id和u＊iq分別為逆變器側(cè)電壓d軸和q軸控制的給定參考電壓，i＊gd和i＊gq分別為電網(wǎng)電流的d軸和q軸給定參考電流。

2．3 功率脈動(dòng)控制策略

為了統(tǒng)一坐標(biāo)系，并且表達(dá)式不含有正弦函數(shù)，將所有分量都定位到正序同步坐標(biāo)系中。由于5次、7次諧波產(chǎn)生的功率脈動(dòng)皆為6倍頻脈動(dòng)，為了減少贅述，以5次諧波分析為例對(duì)功率控制進(jìn)行分析，7次諧波可以按同樣原理分析。

根據(jù)瞬時(shí)功率理論［14］5次諧波下6倍頻功率表達(dá)式如式（8）所示：

5次諧波電量投影到正序坐標(biāo)變換為

結(jié)合式（8）和式（9）可以推出：

由于采取q軸電壓定向e＋gd＋＝0，正序分量為直流分量，5次諧波分量為6倍頻分量，此時(shí)表達(dá)式化簡(jiǎn)為

為了體現(xiàn)對(duì)功率6倍頻分量的控制，將式（11）求導(dǎo)可得

考慮穩(wěn)態(tài)情況時(shí)的直流分量可認(rèn)為是常數(shù)，式（12）可進(jìn)一步表示為

按比例諧振控制原則可設(shè)計(jì)功率控制表達(dá)式為

其中：

式中urefid6，urefiq6分別為dq坐標(biāo)系下并網(wǎng)逆變器的6倍頻控制參考電壓。其中GR是R調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為［15］

圖4為諧振調(diào)節(jié)器系數(shù)變化時(shí)的增益圖，從圖4中可以看出，R調(diào)節(jié)器在諧振點(diǎn)增益為無(wú)窮大，既可以作為帶通濾波器對(duì)諧振點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行提取，又可以作為閉環(huán)調(diào)節(jié)器對(duì)信號(hào)無(wú)靜差跟蹤。

為了簡(jiǎn)化分析，將控制結(jié)構(gòu)框圖簡(jiǎn)化為如圖5所示的形式。

圖5中Ghband為高通濾波傳遞函數(shù)，截止頻率設(shè)置為50Hz。下面以有功功率分析為例，圖5的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

圖4　諧振調(diào)節(jié)器系數(shù)變化時(shí)增益圖Fig．4 Gain figure with changed resonant controller coefficient

圖5　功率振蕩抑制控制框圖Fig．5 Power oscillation suppression control block diagram

前饋干擾電壓egq6與有功功率P之間的傳遞函數(shù)為

根據(jù)式（21）可知，egq6對(duì)R控制器無(wú)干擾，所以可以忽略前饋電壓補(bǔ)償項(xiàng)，此舉可有效降低整個(gè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度?；谏鲜鲈恚瑹o(wú)功功率的分析同上，此處不再贅述。

同理，7次諧波引起的功率脈動(dòng)分析結(jié)果同上，且由于都是6倍頻脈動(dòng)，反饋經(jīng)過(guò)諧振調(diào)節(jié)器諧振頻率為300Hz，可同時(shí)控制5次、7次功率脈動(dòng)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出的控制策略的有效性，基于1kW光伏并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和電網(wǎng)模擬器Chroma 61512進(jìn)行試驗(yàn)。電網(wǎng)電壓線(xiàn)電壓為380V經(jīng)過(guò)400／120變壓器，5次和7次電壓諧波含量均設(shè)置為4％，直流電壓為200V，三相電流有效值為5．3A，濾波電感為1mH，采樣頻率為10kHz，開(kāi)關(guān)頻率為10kHz。為了較為明顯地對(duì)比試驗(yàn)效果，以下以大圖的形式展示（見(jiàn)圖6）。

圖6　功率和三相電流波形Fig．6 Waveform of power and three－phase current

在上述電網(wǎng)電壓諧波條件下，圖6a）和圖6b）為功率脈動(dòng)無(wú)抑制時(shí)的有功功率和無(wú)功功率波形，由于電網(wǎng)電壓中存在5次、7次電壓諧波，功率產(chǎn)生較大的6倍頻脈動(dòng)；圖6c）和圖6d）為基于R調(diào)節(jié)器的直接功率脈動(dòng)控制策略時(shí)的功率波形，此時(shí)6倍頻功率脈動(dòng)明顯減小，控制策略的效果明顯。

4 結(jié) 論

本文采用了一種基于諧振調(diào)節(jié)器的直接功率脈動(dòng)控制策略，通過(guò)引入諧振閉環(huán)調(diào)節(jié)器對(duì)并網(wǎng)逆變器中有功功率和無(wú)功功率波動(dòng)分量進(jìn)行直接抑制，無(wú)需分解電壓和電流的正負(fù)序分量，簡(jiǎn)化計(jì)算，有效抑制6倍頻功率振蕩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用基于諧振調(diào)節(jié)器的直接功率脈動(dòng)控制可以增強(qiáng)并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)的運(yùn)行能力。

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Power pulsation control strategy for grid－connected inverter under harmonically distorted voltage conditions

ZHANG Xiaogang1，LI Yonggang2，SUN Wei3，LI Jianwen2
（1．Jiujiang Power Supply Branch Company，Jiangxi Electric Power Corporation，Jiujiang，Jiangxi 332000，China；2．School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China；3．Baoding Power Supply Company，Hebei Electric Power Corporation，Baoding，Hebei 071000，China）

Abstract：A certain 5(th)or 7(th)harmonic voltage in the grid will result in 6times output power ripple of the grid－connected inverter．In order to improve the performance of the grid－connected inverter，a direct power pulsation control strategy based on resonant controller is proposed in this paper to achieve smooth active power and reactive power output．On the basis of instantaneous power theory，through changing the active and reactive current with a power pulsation compensation loop，and combing resonance controller，the power pulse component of the grid－connected inverter is controlled．The simple and useful system can directly suppress the output active and reactive power fluctuation and improve the system dynamic and static performance without considering phase decomposition of harmonic current and voltage．The correctness and effectiveness of the control strategy are proved by a 1kW grid－connected inverter experiment system．

作者簡(jiǎn)介：張小剛（1963—），男，江西九江人，工程師，主要從事電力規(guī)劃設(shè)計(jì)與新能源發(fā)電技術(shù)方面的研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)網(wǎng)江西省電力公司九江供電分公司科技項(xiàng)目（5218D014004M）

收稿日期：2015－12－17；修回日期：2016－01－18；責(zé)任編輯：李 穆

文章編號(hào)：1008－1534（2016）02－0163－06

中圖分類(lèi)號(hào)：TM727

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10．7535／hbgykj．2016yx02012