微電網不平衡電壓的并網逆變器控制策略

林小峰，李福培，劉斌

（廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004）

裝備應用技術

微電網不平衡電壓的并網逆變器控制策略

林小峰，李福培，劉斌

（廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004）

由于微電網中有大量的單相負載運行，其三相電壓容易出現不平衡。在微電網電壓不平衡下，并網逆變器傳統的鎖相環（PLL）控制輸出電流產生大量諧波，為減少輸出電流諧波，提出一種基于全通濾波器的無鎖相環直接功率控制策略。在微電網電壓不平衡條件下對所提出的制策略進行驗證，實驗結果證明了該控制算法的有效性。

并網逆變器；電壓不平衡；直接功率控制；無鎖相環

微電網是一種將分布式電源、負荷、儲能裝置、變流器以及監控保護裝置有機整合在一起的小型發配電系統[1]。隨著化石燃料的減少，新能源引起人們廣泛關注，微電網技術也得到了快速發展。

逆變器是微電網的一個重要的組成部分，當逆變器在微電網的支路中工作時，對逆變器并網的基本要求是輸出與微電網電壓同頻、同相[2]的交流電，鎖相環技術是實現同步的關鍵，基于同步坐標系的軟件鎖相環（single synchronous reference frame for software phase locked loop，SSRF SPLL）是目前應用最為廣泛的鎖相環技術。微電網電壓不平衡時，電壓負序分量會在dq坐標系下產生二倍頻的交流分量，導致PLL計算鎖相角的過程會產生誤差，影響逆變器的控制精度，致使逆變器輸出三相電流不平衡，并伴隨有大量諧波，此時電能質量已不能滿足要求。為了解決逆變器輸出電流含量諧波大的問題，必須研究微電網不平衡電壓下并網逆變器的控制策略。

傳統的提取電網電壓正序分量的方法有：文獻[3]提出的解耦的雙同步坐標系鎖相環法（Decoupled Double Synchronous Reference Frame PLL，DDSRFPLL），此方法能有效提取微電網電壓正序分量，但是計算大，有2個旋轉坐標系，4個低通濾波器，結構復雜。文獻[4]提出的T/4周期延時法，此方法計算量小，穩定性高，但是前提是T/4周期內電網的故障類型相同，且需要較大的存儲空間存儲T/4周期的數據。文獻[5]提出的基于全通濾器改進的三相dq鎖相技術，該方法不能消除電網諧波對PLL的影響。上述方法都用到了鎖相環結構，輸出電流都會產生不同程度的諧波。

直接功率控制[6]具有功率因數高，算法和系統結構簡單，動態性能好的優點。本文采用無鎖相環直接功率控制策略[7]，通過全通濾波器對同步旋轉坐標系下的電壓量進行90°相移的功能提取微電網電壓基波正序分量。再結合預設旋轉頻率法計算得到有功、無功電流參考值，省去了PLL，數字實現簡單，實時性好，能很好解決逆變器有鎖相環控制導致的輸出電流諧波含量大的問題。

1 微電網不平衡電壓對鎖相環產生的影響

為了使并網逆變器的輸出電流和微電網電壓的頻率相位保持一致，常使用PLL技術獲取微電網電壓的頻率相位信息。PLL能跟蹤微電網電壓的基波正序分量，能有效地適用于微電網電壓平衡時頻率、相位及幅值的檢測。如圖1所示，采樣網側電壓ua，ub，uc轉化成dq兩相旋轉坐標系下的d軸和q軸分量，將q軸分量與給定值=0進行比較，將比較值送往PI調節器進行調節，輸出值加上初始工頻角頻率ω，再經過積分環節得到鎖相輸出相位θ*，此時PLL的輸出相位θ*鎖定微電網電壓相位θ.

圖1 SSRF SPLL原理

微電網電壓不平衡量表示為：

式中，Um為微電網電壓幅值，η、λ、ζ為常量。

將微電網電壓ua，ub，uc變換到dq同步旋轉坐標系下，取d軸分量得：

SSRF SPLL將uq通過PI調節器調節到0，有：

由式（2）、（3）解出鎖相角θ*的正余弦為式（4）。

將鎖相角θ*的正余弦信號使用到dq轉abc的變換矩陣中。不平衡時，假定有功電流參考值=Id，無功電流參考值=0，反饋值能夠跟蹤給定值，則并網逆變器輸出的電流為式（5）.

從式（5）可以看出，微電網不平衡時鎖相角參與坐標變換，會使逆變器輸出進網電流含有大量諧波。而采取無鎖相環的方式可以很好地解決微電網電壓不平衡造成電流諧波含量大的問題。

2 無鎖相環直接功率控制

直接功率控制能直接對逆變器的有功功率和無功功率進行控制，無需解耦環節，具有高功率因數，系統結構簡單的優點。在微電網電壓不平衡條件下，采用無PLL直接功率控制解決PLL控制造成逆變器輸出電流諧波含量大的問題。給定一個旋轉頻率與電網頻率相同的角頻率參與坐標變換，由于給定旋轉頻率相角θ1=ωt+ω1的初相角是隨機的，因此給定旋轉頻率的相角和電網相角不一定重合，所以通過給定的相角變換到dq坐標系下的分量不再對應有功電流和無功電流，電流參考和只能由dq坐標系下的電壓基波正序分量、和給定有功功率P*、無功功率Q*計算得到。

全通濾波器能對角頻率和微電網角頻率相等的交流分量進行90°相移，再通過簡單的數學運算即可得到dq坐標系下電壓基波正序分量。將正常的三相電壓分解成正序、負序和零序分量：

式中：上標+、-分別表示正序和負量分量；正序電壓和負序電壓相角分別為θ+=ωt+φ+、θ-=ωt +φ-；零序分量為uz=（ua+ub+uc）/3.

三相電壓由abc坐標系變換到dq0坐標系下時，0軸分量為0，略去不計。所以在dq0坐標系下的電壓udq為式（9）.

因為變換矩陣角頻率ω1與電網電壓的基波頻率ω相等，式（9）變為：

不平衡電壓經過給定角頻率ω1的Park變換后，基波正序分量是直流量，基波負序分量是含有2倍頻的交流分量，此負序交流分量由式（7）引入電流基準計算中，使PI調節器無法做到無靜差調節。為此引入全通濾波器濾去2倍頻的負序交流分量。

全通濾波器對直流量沒有影響，對基波信號（基波頻率為2ω）實現90°的相移：

ud′、uq′由ud、uq、ud′和uq′在dq坐標系下矢量合成，如圖2、圖3所示。

圖2 合成的向量圖

圖3 基于全通濾波器的無PLL直接功率控制框圖

3 實驗結果

在Simulink仿真中，把微電網A相電壓降低10%，進行傳統PLL控制和基于全通濾波器的無PLL直接功率控制的仿真實驗。結果如圖4、圖5.

圖4 傳統PLL控制仿真波形

圖5 基于全通濾波器的無PLL直接功率控制仿真波形

由圖4得，在微電網電壓不平衡條件下，并網逆變器通過傳統PLL控制，變換到dq坐標系下的電壓分量是脈動直流量；由圖5得，通過基于全通濾波器的無PLL直接功率控制變換dq坐標系下的電壓分量是穩定的直流量，仿真結果符合理論分析。并網逆變器在傳統PLL控制下，進網電流諧波含量為5.14%；在基于全通濾波器的無PLL直接功率控制下，進網電流諧波含量為0.32%.

利用可編程交流電源Chroma61512模擬不平衡的微電網電壓，將微電網A相電壓降低10%.把三相光伏逆變器、可編程交流電源Chroma61512、負載并聯在一起進行不平衡實驗，實物波形如圖6、圖7.

圖6 傳統PLL控制實物波形

圖7 基于全通濾波器的無PLL直接功率控制實物波形

由圖4的仿真結果和圖6的實驗結果可知傳統PLL控制的輸出電流發生畸變，諧波含量高；由圖5的仿真結果和圖7的實驗結果可知基于全通濾波器的無PLL直接功率控制的輸出電流諧波含量低，正弦度高。可見，在微電網電壓不平衡條件下，并網逆變器在基于全通濾波器的無PLL直接功率控制的進網電流諧波含量比傳統PLL控制低。

4 結論

為了降低微電網不平衡電壓條件下的并網逆變器輸出電流的諧波含量，本文提出了基于全通濾波器的無PLL直接功率控制策略。在直接功率控制中通過全通濾波器提取微電網電壓基波正序分量，結構簡單，計算量小。微電網不平衡電壓下的仿真和實驗結果表明，基于全通濾波器的無PLL直接功率控制比傳統PLL控制的輸出進網電流諧波含量低。

[1]楊新法，蘇劍，呂志鵬，等.微電網技術綜述[J].中國電機工程學報，2014（1）：57-70.

[2]孫文山.基于SVPWM的三相光伏并網逆變器的研究與設計[D].天津：天津大學，2012.

[3]Rodríguez P，Pou J，Bergas J，etal.Decou-pled Double Synchronous Reference Fra-me PLLfor Power Converters Control[J].IEEETransactions on PowerElectronics，2007，22（2）：584-592.

[4]Svensson J，Bongiorno M，Sannino A.Practical Implementation of Delayed Sig-nal Cancellation Method for Phase-Sequ-ence Separation[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2007，22（1）：18-26.

[5]王萬寶，張犁，胡海兵，等.三相電壓不平衡條件下改進的鎖相技術[J].電力電子技術，2013，47（7）：17-19.

[6]王久和，李華德.一種新的電壓型PWM整流器直接功率控制策略[J].中國電機工程學報，2005，25（16）：47-52.

[7]雷蕓，肖嵐，鄭昕昕.不平衡電網下無鎖相環三相并網逆變器控制策略[J].中國電機工程學報，2015（18）：4744-4752.

Control Strategy of Grid-Connected Inverter Based on All-pass Filter in Unbalanced Grid Voltage

LIN Xiao-feng，LI Fu-pei，LIU Bin
（School of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi 530004，China）

As micro-grid has a large number of single-phase load operates，the three-phase voltage prone to imbalance.Under the micro-grid unbalance voltage，the grid-connected inverter traditional phase-locked loop（PLL）control will produce a large number of output current harmonics，in order to reduce the output current harmonic，this paper proposes a full-pass filter without lock Phase Power Direct Power Control Strategy.The proposed control strategy is verified under the condition of micro-grid unbalance voltage.The experimental results show the effectiveness of the proposed method.

grid-connected inverter；voltage unbalance；direct power control

TM727

A

1672-545X（2017）06-0161-03

2017-03-28

作者介紹：林小峰（1955-），男，廣西陸川人，教授，博士生導師，研究領域為新能源換轉與控制，微電網控制與運行；李福培（1990-），男，廣西桂平人，研究生，研究領域為新能源換轉與控制；劉斌（1982-），男，湖南會同人，博士，講師，研究方向為電力電子與變流技術，新能源換轉與控制。