電網(wǎng)電壓不平衡條件下并網(wǎng)逆變器的研究

王春蕾，張代潤

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

隨著全球范圍內(nèi)的能源短缺和環(huán)境污染問題的日益凸顯，清潔、可再生能源的利用引起了世界廣泛關(guān)注，太陽能、風(fēng)能等能源以其不竭性和環(huán)保優(yōu)勢成為當(dāng)今新能源利用研究的熱點(diǎn)[1-2]，而并網(wǎng)逆變器作為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中連接電網(wǎng)、傳遞能量的核心裝置，其并網(wǎng)控制成為研究的關(guān)鍵[3]。

傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的逆變輸出電壓直接被箝位到電網(wǎng)電壓，而電流控制用直流環(huán)節(jié)的電壓反饋來控制其幅值，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定地并網(wǎng)運(yùn)行。但是當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，逆變器輸出電流就會(huì)產(chǎn)生負(fù)序分量。本方案首先提取電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電壓的負(fù)序分量[4]，然后通過控制兩者相等以消減甚至消除并網(wǎng)電流的負(fù)序分量，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定安全地運(yùn)行。同時(shí)由于文中的直流側(cè)電壓環(huán)的反饋控制和負(fù)序電壓的反饋控制又是相互獨(dú)立，因此也有著較好的抗干擾性能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一般的新能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)主要有單級(jí)式、兩級(jí)式和多級(jí)式，由于兩級(jí)式前面的MPPT環(huán)節(jié)和后級(jí)并網(wǎng)逆變器可以獨(dú)立控制，從而成為較多使用的拓?fù)鋄5]。本文對前級(jí)的最大功率跟蹤控制不作介紹，主要針對后級(jí)的并網(wǎng)逆變器控制做分析，圖1所示為一個(gè)三相三線制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能圖。從圖中可以看出，其中有兩個(gè)主參考控制框架，一個(gè)為直流環(huán)處的電壓反饋控制，另一個(gè)參考控制框架則由電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電壓負(fù)序分量的相關(guān)控制來實(shí)現(xiàn)逆變器的輸出電流負(fù)序分量的消減，然后通過兩個(gè)參考框架得到的電流值分量進(jìn)行疊加，作為參考電流輸入電流控制模塊，以得到控制逆變器的開關(guān)信號(hào)使逆變器工作。從圖中可以看出，需要檢測的參數(shù)有三相電網(wǎng)電壓ea、eb、ec，逆變器輸出電壓va、vb、vc，逆變器輸出電流 ia、ib、ic，直流側(cè)電壓Vdc。

2 系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)

2.1 負(fù)序電壓控制的基本原理

由于系統(tǒng)采用三相三線制結(jié)構(gòu)，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，電壓就可以被分解為正序、負(fù)序分量。圖2給出了逆變器輸出電壓的正序、負(fù)序的等效電路圖，其中[ea+、eb+、ec+]和[ea-eb-ec-]分別為電網(wǎng)電壓的正序、負(fù)序分量,[ia+ib+ic+]和[ia-ib-ic-]分別為并網(wǎng)電流的正序、負(fù)序分量。傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)中會(huì)令[va-vb-vc-]=0，僅僅包括正序分量。由于濾波電感L和電阻R的存在，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，負(fù)序電流[ia-ib-ic-]比較大。從圖2中可以看出，當(dāng)[va-vb-vc-]=[ea-eb-ec-]時(shí)，負(fù)序電流就被消減為0。

從控制框圖中可以看出，負(fù)序電壓控制環(huán)首先是通過一些列矩陣變換得到電網(wǎng)電壓和逆變器電壓在dq坐標(biāo)系下的各個(gè)負(fù)序分量，把電網(wǎng)電壓在dq坐標(biāo)系下地負(fù)序量作為參考信號(hào)，讓逆變器輸出電壓的負(fù)序分量跟隨其變化，即分別通過其對應(yīng)作比較后經(jīng)過PI控制器得到負(fù)序的參考信號(hào)，然后經(jīng)過 dq/αβ變換得到，與直流電壓反饋得到的相疊加然后得到在αβ坐標(biāo)系下的電流參考信號(hào)，最后經(jīng)過變換得到三相參考電流信號(hào)送入電流控制模塊以得到開關(guān)信號(hào)去控制逆變器。

2.2 負(fù)序分量的獲取

從系統(tǒng)框圖可以看出，本控制系統(tǒng)的關(guān)鍵之一在于逆變器輸出電壓和電網(wǎng)電壓的負(fù)序分量。根據(jù)對稱分量法可知,三相電壓矢量vabc=[vavbvc]T可分解為正序、負(fù)序和零序分量,由于本文討論的三相三系制系統(tǒng),所以沒有零序分量。其中正序分量為：

聯(lián)立式(1)、式(2)可得到α β坐標(biāo)系電壓正序分量：

αβ坐標(biāo)系電壓負(fù)序分量為：

式中，k為旋轉(zhuǎn)因子，表示相移 90°。此處采取 H(s)=，其Bode圖如圖3所示。從圖中可以看出在正序和負(fù)序頻率50 Hz附近相頻特性位-90°，而對應(yīng)的幅頻特性為0 dB，即相對幅值為 1，可見滿足旋轉(zhuǎn)因子k的要求。同理電網(wǎng)電壓負(fù)序分量的提取采用相同的方法，這里不再贅述。

2.3 電流跟蹤控制

常用的電流控制方法主要有電流滯環(huán)控制和固定開關(guān)頻率控制。滯環(huán)電流跟蹤控制方法硬件電路十分簡單，屬于實(shí)時(shí)控制方式，電流響應(yīng)很快，不需要載波，輸出電壓中不含有特定頻率的諧波分量[6]。基于其具有較好動(dòng)態(tài)性能的考慮，本文采用電流滯環(huán)跟蹤控制的方式，其原理框圖如圖4所示。

圖為A相電流滯環(huán)跟蹤控制框圖，其中的一階慣性環(huán)節(jié)可以加快控制的響應(yīng)速度，t為慣性時(shí)間常數(shù)。可以看出這里的實(shí)際A相逆變器電流ia和求得的A相指令電流ia*進(jìn)行比較，形成電流閉環(huán)實(shí)時(shí)跟蹤控制，因此補(bǔ)償電流能夠?qū)崟r(shí)精確地跟蹤補(bǔ)償參考電流，從而補(bǔ)償電網(wǎng)電流，使其正弦化。

3 系統(tǒng)仿真與結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性,利用Matlab/Simulink對其進(jìn)行了建模仿真，仿真模型根據(jù)原理框圖1所建，主要參數(shù)有：逆變器輸出濾波電感L=2 mH，緩沖電阻R=0.1 Ω，直流母線側(cè)電容 C2=3 000 μF，基準(zhǔn)電壓 Udc*=600 V，三相電網(wǎng)線電壓幅值 ea=330 V、eb=330 V、ec=280 V，頻率為50 Hz。圖5為檢測到的各處仿真波形圖。

本文對可再生能源發(fā)電在電網(wǎng)電壓不平衡條件下的并網(wǎng)逆變器控制進(jìn)行了探討，在傳統(tǒng)的直流側(cè)電壓反饋環(huán)的基礎(chǔ)上增加了電網(wǎng)電壓負(fù)序分量作為參考量以及逆變器輸出電壓負(fù)序分量作為跟蹤量的跟蹤反饋控制環(huán)，以達(dá)到減弱甚至消除并網(wǎng)電流負(fù)序分量的效果，以利于并網(wǎng)逆變器更好地運(yùn)行。同時(shí)這兩個(gè)控制環(huán)節(jié)相互獨(dú)立，不存在干擾，這也增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。仿真結(jié)果表明，在電網(wǎng)電壓不平衡的條件下，逆變器輸出電壓負(fù)序分量較好地跟蹤了電網(wǎng)電壓的負(fù)序分量，使并網(wǎng)電流有較好的效果，達(dá)到了控制目的，驗(yàn)證了該方法的可行性。

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