电网不平衡条件下光伏逆变器控制策略研究_高正中

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DOI:10.14044/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S=EI * =P+jQ。 （ 1）式中 E=ejω tE Pdq+e-j ω t ENdqI * =ejω tE Pdq-e -j ω tI Ndq。代入式 （ 1） 并计算得S=P+jQ=[p0+pc2cos（ 2ω t） +ps2sin（ 2ω t） ]+j[ q0+qc2cos（ 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*q00=23[（ 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 Pd+eNqi 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*0=p *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*q000000000000=ePd 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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Automa-图 8 逆变器交流侧并网电流波Fig. 8 Grid current waveform on the AC side of inverter图 7 直流母线电压仿真波形图Fig. 7 Simulation waveform diagram of DC busbar voltage(下转第 85 页 )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 ）75· ·tion of Electric PowerSystems， 2012， 36（ 5）： 90-95.［ 12］ YAFAOUI A ， WU Bin ， KOURO S. Improved active fre-quency drift anti-islanding detection method for grid con-nected photovoltaic systems［ J］ . IEEE Transactions onPowerElectronics， 2012， 27（ 5）： 2367-2375.［ 13］ MOHAMED A， ELTAWIL ， ZHENGMING ZHAO. Grid -connected photovoltaic power systems: Technical and po-tential problems-A review［ J］ . Renewable and SustainableEnergy Reviews， 2010（ 14）： 112-129.［ 14］ 吕新良 ， 张旭 ， 宋晓林 ． 分布式光伏发电运行控制技术研究 ［ J］ ． 陕西电力 ， 2012， 2（ 2）： 66-69 ．LYU Xinliang ， ZHANG Xu ， SONG Xiaolin. Research ondistributed photovoltaic power generation operation controltechnology［ J］ . 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