不平衡情況下光伏多電平逆變器的控制策略研究

王善生

(華南理工大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510640)

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不平衡情況下光伏多電平逆變器的控制策略研究

王善生

(華南理工大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510640)

電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時(shí)，電網(wǎng)電壓中存在的負(fù)序分量會(huì)對光伏并網(wǎng)控制造成影響。為了消除逆變器交流側(cè)電流和直流側(cè)電壓的諧波，采用了正、負(fù)序獨(dú)立旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的控制方法，做了基于光伏三電平逆變器的電網(wǎng)不平衡情況下的并網(wǎng)控制策略仿真。仿真結(jié)果表明采用正、負(fù)序獨(dú)立旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的控制方法，逆變器交流側(cè)電流和直流側(cè)電壓的諧波得到有效抑制。

三電平光伏逆變器;中點(diǎn)電壓平衡;不平衡控制策略;電網(wǎng)電壓不平衡

0 引 言

目前太陽能受到人們越來越多的關(guān)注，而太陽能光伏并網(wǎng)是太陽能利用的主要形式之一。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障不對稱運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)中會(huì)存在負(fù)序分量將導(dǎo)致光伏逆變輸出有功功率波動(dòng)和電流會(huì)有異常波動(dòng)，會(huì)影響光伏逆變器的控制策略[1-4]。因此，研究光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略，消除負(fù)序分量對控制策略的影響，對實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用和普及具有重要意義。

在電網(wǎng)發(fā)生單向接地等不對稱故障時(shí)，要消除電網(wǎng)負(fù)序分量對控制策略的影響，設(shè)計(jì)出對應(yīng)的控制策略。Rioual P等人提出前饋控制策略，把電網(wǎng)電壓的負(fù)序分量通過前饋來達(dá)到消除和抑制的目的[5]。但是電網(wǎng)電壓負(fù)序分量不能夠被徹底消除。Hong-Seok Song等人提出了一種改進(jìn)控制策略，該控制策略將電網(wǎng)電壓正序、負(fù)序分量在各自獨(dú)立的坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的直流分量，從而可以用常規(guī)PI調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)無靜差控制[6]。該方法實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)電壓的正序、負(fù)序快速、準(zhǔn)確的分離檢測，為多電平光伏逆變器在電網(wǎng)電壓不平衡情況下的運(yùn)行控制提供可靠信息和依據(jù)[7]。

1 三電平光伏逆變器電路

三電平逆變器有三個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂包含續(xù)流二極管、開關(guān)器件和箝位二極管，續(xù)流二極管的作用是給電流提供反向?qū)娐?，箝位二極管的用途是電平箝位。兩個(gè)電容可以輸出兩個(gè)相等的直流電壓。

圖1 三電平逆變器的空間矢量圖

圖2 第I扇區(qū)虛擬空間矢量圖

中點(diǎn)電壓波動(dòng)問題是三電平逆變器控制策略的關(guān)鍵問題之一。中矢量會(huì)造成三電平逆變器直流母線中點(diǎn)電壓波動(dòng)，從而影響并網(wǎng)控制策略。虛擬空間矢量通過降低中矢量的作用時(shí)間來抑制中點(diǎn)電壓的波動(dòng)。虛擬空間矢量圖如圖2所示，不改變大矢量和零矢量，以虛擬小矢量和虛擬中矢量來代替之前的小矢量和中矢量，將第I扇區(qū)由四個(gè)三角形變成五個(gè)三角形。

2 中點(diǎn)電壓波動(dòng)規(guī)律

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時(shí)，電網(wǎng)電壓為：

(1)

式中EpN、θpN—正、負(fù)序的有效值、相角。

把上式轉(zhuǎn)換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，可得：

(2)

式中C23—靜止坐標(biāo)變換矩陣，R(θ)、R(-θ)—正、負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換矩陣:

負(fù)載電流可以表示為:

(3)

設(shè)三電平逆變器的空間矢量法調(diào)制波為：

(4)

式中u0—零序分量，m—調(diào)制深度:

考慮到一個(gè)采樣周期內(nèi)三相負(fù)載電流變化很小，假設(shè)三相負(fù)載電流值不變，那么可以推導(dǎo)出一個(gè)控制周期中平均中點(diǎn)電流inp為：

inp=ua·ia+ub·ib+uc·ic

(5)

將式(3)(4)代入式(5)，得:

(6)

式(6)就是在電網(wǎng)不平衡條件下中點(diǎn)電流數(shù)學(xué)模型，可以看出，式(6)的前半部分和調(diào)制系數(shù)m有關(guān)，而后半部分和參考調(diào)制波中的零序分量有關(guān)。

中點(diǎn)電流由正序部分和負(fù)序部分組成，因此，隨著電網(wǎng)的不平衡程度加大，公式中的負(fù)序部分在整個(gè)中點(diǎn)電流里占的比重就會(huì)加大，從而會(huì)引起中點(diǎn)電流的畸形波動(dòng)。

3 光伏并網(wǎng)控制策略

三相不平衡條件下，網(wǎng)側(cè)逆變器瞬時(shí)視在復(fù)功率s為：

s=p+jq=

(7)

式中p、q分別為網(wǎng)側(cè)有功功率、無功功率；eP、eN、iP、iN分別為dq坐標(biāo)系中電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流的正序和負(fù)序復(fù)矢量。

求解上式可得：

(8)

式中p0、q0分別是有功和無功功率有效值；pc2、ps2分別是2次有功余弦、正弦項(xiàng)諧波峰值；qc2、qs2分別是2次無功余弦、正弦項(xiàng)諧波峰值。

當(dāng)電網(wǎng)電壓中存在負(fù)序分量時(shí)，p(t)與q(t)均含2次諧波分量，即：

(9)

因網(wǎng)側(cè)有功功率含有2次諧波，那么有必要對pc2、ps2加以控制。令q0=pc2=ps2=0,那么就對直流側(cè)電壓2次諧波進(jìn)行了有效的控制。可得并網(wǎng)電流的控制目標(biāo)參考值為：

(10)

由式(10)可知，正序和負(fù)序電流都轉(zhuǎn)換成直流值，可以通過PI控制來達(dá)到無靜差控制?？刂撇呗钥驁D如圖3所示。

圖3 正負(fù)序雙電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)

4 仿真驗(yàn)證

在MATLAB/Simulink平臺(tái)搭建仿真系統(tǒng)。Vs=220 V，f=50 Hz，直流母線電容Cdc=4 000 μF，直流母線電壓Vdc=700 V。

圖4 分離正序、負(fù)序分量

當(dāng)電網(wǎng)A相電壓在0.3 s時(shí)跌落至60%，控制目標(biāo)是直流側(cè)電壓二次諧波為零。仿真結(jié)果如圖5示。圖5(a)是三相電網(wǎng)電壓波形，圖5(b)和圖5(c)是交流側(cè)電流及其正序、負(fù)序分量波形，圖5(d)是直流側(cè)電壓波形?？梢钥闯?，直流側(cè)電壓在電網(wǎng)不平衡的情況下能夠很好地穩(wěn)定在700 V，達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)。

5 結(jié)束語

本文論述了電網(wǎng)電壓不平衡情況下多電平光伏逆變器的并網(wǎng)控制策略。實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)電壓正序、負(fù)序分量的準(zhǔn)確計(jì)算，多電平光伏逆變器的并網(wǎng)控制策略在電網(wǎng)電壓不平衡情況下達(dá)到了預(yù)期控制目標(biāo)。

圖5 光伏并網(wǎng)仿真結(jié)果

[1] 馬蘭珍，王明渝，徐四勤，等．新型多電平光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(17)：72-77．

[2] 宋文祥，陳國呈，陳陳. 基于矢量分區(qū)的三電平中點(diǎn)波動(dòng)機(jī)理分析的研究[J]. 電工電能新技術(shù)，2007,26(7): 21-20.

[3] 姚駿，陳西寅，廖勇，等．電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的控制策略[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(14)：99-106．

[4] 章瑋,王宏勝,任遠(yuǎn),等.不對稱電網(wǎng)電壓條件下三相并網(wǎng)型逆變器的控制. [J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25(12)：103-110．

[5] RIOUAL P，POULIQUEN H，LOUIS J P．Regulation of a PWM rectifier in the unbalanced network state using a generalized model[J] ． IEEE Transactions on Power Electronics，1996，11(3)：495-502．

[6] SONG H，NAM K．Dual current control scheme for PWM converter under unbalanced input voltage conditions [J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，1999，46(5)：953-959．

[7] 葛廣凱.電網(wǎng)不平衡條件下 PWM 整流器及其控制策略的研究與設(shè)計(jì)[D].河南:河南理工大學(xué)，2010.

A Study on the Control Strategy for Multi-level PV Inverters under Unbalanced Conditions

Wang Shansheng

(Architectural Design & Research Institute, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China)

When an unbalanced fault occurs in the power grid, PV grid connection will be affected by the negative sequence component existing in the grid voltage. To eliminate harmonics of the current on the inverter AC side and the voltage on its DC side, grid connection control strategy is simulated under unbalanced grid conditions based on the 3-level PV inverter by adopting a coordinate system with independently rotating positive and negative sequences. Simulation results show that this approach can effectively suppress the harmonics of the current on the inverter AC side and the voltage on its DC side.

3-level PV inverter; neutral point voltage balance; unbalanced control strategy; unbalanced grid voltage

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.011

TM4

A

1000-3886(2016)03-0032-03

王善生(1984-)，男，廣東人,碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)計(jì)與電氣節(jié)能。

定稿日期: 2015-11-05

(華南理工大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510640)

摘 要： 電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時(shí)，電網(wǎng)電壓中存在的負(fù)序分量會(huì)對光伏并網(wǎng)控制造成影響。為了消除逆變器交流側(cè)電流和直流側(cè)電壓的諧波，采用了正、負(fù)序獨(dú)立旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的控制方法，做了基于光伏三電平逆變器的電網(wǎng)不平衡情況下的并網(wǎng)控制策略仿真。仿真結(jié)果表明采用正、負(fù)序獨(dú)立旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的控制方法，逆變器交流側(cè)電流和直流側(cè)電壓的諧波得到有效抑制。