電網(wǎng)電壓不平衡條件下并網(wǎng)逆變器的改進控制

宋汶秦，祁霄鵬，楊維滿，*，王興貴

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司經濟技術研究院，甘肅 蘭州730000；2.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州730050)

0 引言

近年來，隨著國家大力倡導發(fā)展新型清潔能源，分布式可再生能源發(fā)電得到了快速發(fā)展，并網(wǎng)逆變器作為電網(wǎng)與可再生能源發(fā)電設備之間的接口裝置[1-2]，其運行性能的好壞直接影響了輸出的電能質量。在電網(wǎng)電壓三相不平衡情況下，由于并網(wǎng)同步信息的檢測存在電壓基波分量、諧波分量等擾動造成了延時，同時并網(wǎng)逆變器采用數(shù)字控制時存在控制延時，這些因素會影響并網(wǎng)控制和并網(wǎng)同步信息檢測的實時性和準確性，進而影響了并網(wǎng)電流控制性能[3]。因此，研究一種提高電網(wǎng)電壓不平衡條件下并網(wǎng)逆變器實時性的控制方法對于增強現(xiàn)代電力網(wǎng)絡對分布式電源/網(wǎng)絡的接納能力，改善系統(tǒng)電能質量都具有重要的現(xiàn)實意義。

在電網(wǎng)電壓不平衡情況下并網(wǎng)逆變器的控制要求主要包括以下兩個方面：一是要有跟隨性能良好的電流控制器；二是要有快速的電壓正負序分離方法[4]。當并網(wǎng)逆變器采用數(shù)字控制時會產生控制延時，文獻[5]提出的Smith預測補償法根據(jù)當前和過去時刻的信息估算下一時刻的信息以達到消除延時的目的，但是它對系統(tǒng)模型的依耐性較強，存在一定的估計誤差。文獻[6]提出的增加零極點補償延時的方法只能消除零階保持器帶來的半拍調制延時，而不能消除并網(wǎng)控制中產生的采樣延時。文獻[7-9]提出了預測占空比和零極點補償控制相結合的方法，分別基于比例積分控制和比例諧振控制，它能夠消除單相系統(tǒng)中的控制延時，但是能否適用于三相系統(tǒng)暫未提及。在基波電壓正負序分離方法研究當中，目前主要采用的是基于濾波技術的正負序分離方法[10]。其一是采用低通濾波器[11-13]的方法消除二倍頻功率波動來實現(xiàn)正序分量的提取，但是它會濾除信號的高頻成分，同時在數(shù)字化實現(xiàn)的過程中它本身存在延時，從而影響了系統(tǒng)的快速性能；其二是采用陷波器[14]的方法來濾除二次諧波，由于陷波器不能濾除諧波引起的高頻擾動，導致相位檢測存在誤差，影響了并網(wǎng)信息檢測的實時性。

本文針對數(shù)字控制存在的延時問題和基波信息檢測存在的檢測延時問題，在電網(wǎng)電壓不平衡情況下將延時補償方法和基于前置濾波器分離電壓正負序分量的方法結合起來去減小控制延時和檢測延時，同時采用準比例諧振控制器(Quasi Proportional Resonant，QPR)對并網(wǎng)電流精確控制，從而達到綜合提高整個并網(wǎng)系統(tǒng)實時性的目的。

1 電網(wǎng)電壓三相不平衡時并網(wǎng)逆變器數(shù)學模型

圖1所示為LCL型三相并網(wǎng)逆變器拓撲結構，它由三相橋式逆變單元、濾波器和電網(wǎng)三部分構成。其中，L1為逆變器側電感，L2為網(wǎng)側電感，C1、C2、C3為濾波電容，Udc為逆變器直流側電壓；iCa、iCb、iCc為濾波電容電流；i2a、i2b、i2c為三相并網(wǎng)電流；uga、ugb、ugc為三相電網(wǎng)電壓。

三相三線制配電網(wǎng)中電壓不平衡時忽略零序電壓分量，則逆變器并網(wǎng)點電壓表達式為[15]

(1)

式中，Up，Un，ω，θp，θn分別為正負序電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位。

在兩相靜止坐標系下可以對三相逆變器進行有效控制，此時在αβ坐標系中進一步得到逆變器復數(shù)域數(shù)學模型為

(2)

式中,j=a、b、c，且

2 不平衡條件下傳統(tǒng)控制存在的主要問題

若在dq旋轉坐標系中直接進行電壓外環(huán)電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制，則并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)側注入的有功功率和無功功率分別為[16-17]

(3)

式中，

電網(wǎng)電壓不平衡時并網(wǎng)逆變器傳統(tǒng)控制策略對輸出電流的dq軸分量分別控制，這種控制器存在嚴重的二倍頻波動，即負序分量成分很大。部分學者采用雙dq、PI電流調節(jié)器，雖然可以實現(xiàn)對電流正負序分量的分別控制，但是輸出電流在暫態(tài)情況下的響應速度較慢，調節(jié)時間較長。另外，基波電壓正負序分離的不同算法對控制作用的實時性也產生了較大影響。

目前，并網(wǎng)逆變器通常采用數(shù)字控制，數(shù)字控制中離散采樣、PWM輸出、并網(wǎng)同步信息檢測等環(huán)節(jié)會對控制系統(tǒng)帶來延時問題，這些因素會嚴重影響并網(wǎng)控制的動態(tài)特性。因此，本文綜合考慮并網(wǎng)逆變器數(shù)字控制中存在的延時和基波電壓正負序分量提取過程中產生的延時，采用一種基于預測占空比、零極點補償控制以及正負序分量復數(shù)濾波器的綜合改進方法來減小電網(wǎng)電壓不平衡條件下數(shù)字控制對并網(wǎng)控制性能的影響，以實現(xiàn)不平衡條件下逆變器并網(wǎng)控制的綜合改進。

3 并網(wǎng)逆變器改進控制方法

在電網(wǎng)電壓不平衡時，為了實現(xiàn)有功功率恒定的控制目標，就需要對基波電壓進行正負序分量提取，在這個過程中會產生檢測延時。為了減小檢測延時，引入前置濾波并采用高實時性的復矢量濾波器對基波電壓正負序進行提取[18]。與傳統(tǒng)的提取方法相比，該方法可以縮短正負序分量的提取時間，基波電壓正負序分量檢測示意圖2所示。在電網(wǎng)電壓發(fā)生不平衡時，為了獲取準確的相位信息，采用復矢量濾波器提取電壓正負序分量，其表達式為

(4)

當基波電壓正負序分量分離出以后，即可利用瞬時功率理論計算電流參考值。目前根據(jù)不同的控制目標參考電流的計算方法有3種[19]：1)負序號電流為零，抑制電流諧波；2)有功功率恒定，抑制有功功率二倍頻波動；3)無功功率恒定。本文采用的控制目標是保持有功功率恒定以抑制有功功率二倍頻波動。

式(5)為參考電流的計算公式，此時若并網(wǎng)電流能夠有效跟蹤該電流參考值即可抑制并網(wǎng)有功功率的二次波動[20-21]。

(5)

(6)

電流調節(jié)器采用準比例諧振控制器，其傳遞函數(shù)為

(7)

式中，ω0為諧振頻率，kp為比例增益系數(shù)，kr為諧振增益系數(shù)，ωc為截止頻率。

根據(jù)雙線性法對式(7)進行離散化處理[22]

(8)

其中，

(9)

式中，Ts為采樣時間。

在離散化的數(shù)字控制系統(tǒng)中，零階保持器傳遞函數(shù)為

(10)

系統(tǒng)延遲環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)等效為

Gd(s)=e-sTs。

(11)

在數(shù)字控制中所產生的采樣延時、PWM輸出延時，可采用文獻[7-9]所提出的基于占空比預測與零極點相結合的方法予以綜合補償，補償環(huán)節(jié)離散域傳遞函數(shù)為

(12)

與傳統(tǒng)兩相靜止坐標系下并網(wǎng)逆變器數(shù)字控制方式不同的是，這種方法在電流調節(jié)器和延時環(huán)節(jié)之間加入了延時補償環(huán)節(jié)，它的補償效果是既能消除電容電流內環(huán)控制帶來的采樣延時，又能消除零階保持器帶來的調制延時。最終，得到不平衡條件下逆變器并網(wǎng)改進控制方法如圖3所示。T1、T2、T3分別表示電網(wǎng)電壓采樣開關、并網(wǎng)電流采樣開關、電容電流采樣開關；Hic為電容電流反饋系數(shù)。

4 仿真驗證

為了驗證所提控制方法的正確性，在仿真平臺MATLAB/Simulink中搭建三相并網(wǎng)逆變器模型，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 三相并網(wǎng)逆變器仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of three-phase grid-connected inverter

圖4為電網(wǎng)電壓在不平衡條件下的電網(wǎng)電壓波形。圖4(a)表示三相電網(wǎng)電壓在0.065～0.16 s之間發(fā)生了單相電壓降落。圖4(b)為兩相靜止坐標系下電網(wǎng)電壓分量，在0.065～0.16 s之間電壓幅值不一致是由于電網(wǎng)在此時不對稱故障導致的。

圖5為電網(wǎng)電壓不平衡條件下采用前置復數(shù)濾波器分離的基波電壓正負序分量。圖5(a)所示為基波正序電壓波形，可以看出在0.065～0.16 s之間快速分離出了正序分量。圖5(b)所示為基波負序分量波形，可以看出在0.065～0.16 s之間快速準確地分離出了負序分量?；妷赫撔蚍至康目焖俜蛛x提高了并網(wǎng)基波電壓檢測的實時性。

圖6為控制方法綜合改進前后的有功功率和無功功率波形。圖6(a)、(b)分別為采用延時補償函數(shù)前后的功率對比波形，電網(wǎng)電壓在0.065～0.16 s之間發(fā)生了單相電壓降落。從圖6(a)可以看出，延時補償前有功功率在0.065 s之后波動了15 ms之后恢復穩(wěn)定，無功功率在電網(wǎng)電壓不平衡時間段內有二倍頻波動；延時補償后有功功率在0.065 s之后波動了5 ms之后恢復穩(wěn)定?？傮w上來看實現(xiàn)了有功功率恒定的控制目標，同時延時補償綜合改進方法可以減小有功功率波動的響應時間，從而提高了并網(wǎng)控制的實時性。

圖7為電網(wǎng)電壓不平衡條件下控制方法綜合改進前后三相并網(wǎng)電流波形。同樣地，電網(wǎng)電壓在0.065～0.16 s之間發(fā)生了單相電壓降落，圖7(a)所示為未加入延時補償函數(shù)的三相并網(wǎng)電流波形，可以看出在不平衡電壓出現(xiàn)時刻(0.065 s時)A相電流波動了10 ms左右后電流波形恢復穩(wěn)定，并且在整個電壓不平衡時段A相電流增大，這里也驗證了有功功率恒定的控制目標的正確性。圖7(b)為加入延時補償函數(shù)的三相并網(wǎng)電流波形，從中可以看出在不平衡電壓出現(xiàn)時刻(0.065 s時)A相電流波動了5 ms左右后電流波形恢復穩(wěn)定。對比發(fā)現(xiàn)采用綜合改進的控制方法可以減小電網(wǎng)電壓不平衡條件下并網(wǎng)電流的調節(jié)時間，從而提高了整個并網(wǎng)系統(tǒng)的實時性。

5 結論

文章綜合考慮了電網(wǎng)電壓不平衡條件下并網(wǎng)同步信息檢測、數(shù)字采樣、PWM輸出等延時問題，將預測占空比方法、零極點補償控制以及正負序分量復數(shù)濾波法相結合后，既減小了并網(wǎng)逆變器數(shù)字控制過程中產生的控制延時，又能迅速提取基波電壓正負序分量，減小并網(wǎng)同步信息獲取時間，從而進一步提高了并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電壓不平衡條件下的實時性。所提方法對電網(wǎng)電壓輕度失衡條件下三相逆變器并網(wǎng)控制的實時性具有一定參考價值。