非理想電網下多電平并網逆變器控制仿真

邢陽陽，馬冬梅，黨曉圓，關正偉

(重慶郵電大學移通學院，重慶401520)

1 引言

跟隨社會經濟能源可持續發展步伐，電力系統將“綠色、低碳、環保”作為發展目標，其根本原因在于傳統電網采用石油、煤炭等方式作為電力能源供應方式[1]，石油、煤炭等具有不可再生性，且是環境污染的主要元兇，因此，以風能、水能、太陽能等作為電力能源供應的新方式，是未來電力能源發展的重要方向之一[2]。風能、水能、太陽能等具有利用方便，污染低或零污染等特點，利用光伏并網發電系統可將風能、水能、太陽能等轉化為電力能源[3]，其中多電平并網逆變器是光伏并網發電系統的核心組成之一，其在實現并網逆變器的基礎功能之上，可對電能實施調節和管理[4]，且具有安裝便捷，調節電能效果卓越等優點。光伏并網發電系統在實際使用中，會出現電網電壓上下浮動、電壓相位變化、諧波干擾等現象[5]，此類現象稱為非理想電網。在非理想電網情況下，如何提升并網逆變器的調節管理性能是各國研究熱點之一，葉吉亮等人提出電網電壓不平衡及諧波狀態下的并網逆變器控制策略[6]，該方法利用QPR控制策略對并網電流實施無靜差控制，在控制電壓相位變化時，精確度較差，影響并網逆變器控制效果。劉一琦等人提出模塊化多電平光伏并網逆變器的不對稱容錯控制策略[7]，該方法使用模塊化多電平換流器，該換流器控制諧波能力較低。Matlab仿真軟件使用范圍非常廣泛，可實現處理信號、通訊、測量、建立模型等功能[8]。該軟件可從繁瑣的數學運算公式中準確計算數值和符號，通過圖像處理實現運算結果，并進行可視化編程。Matlab仿真軟件便于用戶操作和學習，且其具有信號處理工具箱、通信工具箱等應用[9]，因此本文使用Matlab仿真軟件對非理想電網下多電平并網逆變器控制展開仿真。

2 非理想電網下多電平并網逆變器控制仿真

2.1 3L-ANPC光伏并網逆變器拓撲結構

3L-ANPC光伏并網逆變器主要由光伏組件、濾波器、電網以及ANPC逆變器組成，其具體拓撲結構如圖1所示。

圖1 3L-ANPC光伏并網逆變器拓撲結構

圖1中，a、b、c三相由x表示，將6個開關設置在3L-ANPC光伏并網逆變器三相橋臂上，分別由Y×1、Y×2、Y×3、Y×4、Y×5、Y×6表示，續流二極管以反并聯的方式與6個開關連相連，令直流電壓為Udc時，三相橋壁輸出的三種電平分別為Udc/2、0、-Udc/2，使用p、o、n分別表示Udc/2、0、-Udc/2三種狀態。電平狀態為o時，可為電流的輸入與輸出所對應的狀態增加一條電流通道[10]。開關控制3L-ANPC光伏并網逆變器的電流輸入與輸出，電平狀態為o時，上橋臂開關Y×2、Y×5或下橋臂開關Y×3、Y×6均可控制電流的輸入和輸出，每個開關之間的損耗平衡可通過o電平冗余狀態調節，所以ANPC逆變器三相擁有6個開關狀態，表1為ANPC逆變器三相的6個開關狀態。

表1 ANPC逆變器三相的6個開關狀態

2.2 非理想電網下3L-ANPC光伏并網逆變器數學模型

大量諧波存在于分布式電網內，電網短路會出現不對稱形式，此時分布式電網電壓和并網電流內同時存在正序分量、負序分量、諧波分量[11]。

非理想時三相電網電壓計算公式如下

(1)

式中，三相電網電壓分別由uga、ugb、ugc表示，電壓基波正序分量幅值、電壓負序分量幅值、電壓各次諧波幅值、基波頻率分別由Gp、GN、Gh、ω表示，電網電壓正序分量由φp表示，負序分量由φN表示，諧波分量的初始相位角由φh表示，6n±1表示分布式電網電壓諧波分量次數，其中負序次數和正序次數分別是5次和7次。為避免零需電壓分量影響，選擇三相三線制作為接線方式，利用Clark對式(1)實施變換后，則有

(2)

由式(2)可知，非理想狀態下的三相電網電壓，其兩相靜止坐標系內正序分量的角速度旋轉和負序分量的角速度旋轉分別為+ω、-ω，諧波分量以hω為角速度旋轉。

此刻，正序分量、負序分量和諧波分量同時存在于電網內，由以下公式表示

(3)

式中，靜止坐標系內電流的基波正序分量由Ip表示，負序分量由IN表示，諧波分量由Ih表示，電壓電流在三相和兩相靜止坐標系內無必要對正負序進行分解[12]，則電流控制框圖與理想時電流控制框圖相同。

利用Park對式(2)實施變換后，則有

(4)

其中θ表示鎖相角，則式(4)可變更為

(5)

式中，逆變輸出電壓由ud、uq表示，將式(4)的變量變換到正dq旋轉坐標系內，由式(5)可知，發現基波負序分量和諧波分量分別表現為二倍頻交流分量和h-1次諧波分量。電流控制若在dq坐標系內實施，需使用若干電流環路控制，諧波分量坐標系是多頻率旋轉坐標系，設計難度較高，當電流控制在不平衡狀態時，直流量是dq坐標系內控制量，所以需對電壓電流實施正序分解，則有

(6)

式中，M1、M2、Cf分別表示逆變器側電感、網側電感、濾波電容。逆變器輸出電壓由ucd、ucq表示，通過以上公式可知，選擇αβ坐標系內數學模型對電流實施控制，其原因在于不平衡狀態下，dq坐標系內需構建正負控制環路，存在諧波時該環路復雜程度較高。

2.3 非理想電網下多電平并網逆變器控制實現

2.3.1 分離正負序電壓電流

為實現非理想電網下多電平并網逆變器的控制，需對正負序電壓電流實施精準分離，以諧波分量忽略不計為前提，通過對稱分量法計算三相正序電壓、負序電壓則有

(7)

(8)

同理可得正序電流、負序電流。

2.3.2 定向正負序電壓電流

設坐標系內軸的電流和電壓數值為0，通過式(7)和(8)計算出三相正序與負序電壓電流后，利用鎖相環對正負序電壓展開定向，利用派克變換可實現三相電流電壓鎖相，三相鎖環原理如圖2所示。

圖2 三相鎖環原理

設A、ωi、θi分別為輸入鎖相環電網正序電壓幅值、角頻率、相的初相角，利用派克變換可計算出

(9)

式中，當ωi=ω0、θi=φ0時表示相位鎖定完成，此時Uq=0，若未完成相位鎖定，則Uq、Ud是交流量。

相位鎖定后電網電壓的正序電壓和負序電壓關系向量如圖3所示。

圖3 正序電壓和負序電壓關系向量圖

通過圖3可知，以正序電壓鎖相環獲取的角度相反數和正負序電壓的初相角的差值取代鎖相環獲得的角度即可定向負序電壓。

3 實驗分析

為驗證本文方法實際控制效果，使用Matlab仿真軟件構建3L-ANPC光伏并網逆變器仿真模型，逆變器仿真模型參數如表2所示，線路參數如表3所示。

表2 逆變器仿真模型參數

表3 線路參數

交流側a相電壓電流波受諧波影響導致其輸出波形不穩定，使用本文方法控制交流側a相電壓電流，結果如圖4所示。

圖4 交流側a相電壓電流波形圖

分析圖4可知，使用本文方法控制交流側a相電壓電流后，電流數值在區間-1～1A之間，電流曲線波形質量較高，且電壓值在-50-50V范圍內維持穩定變化，可見利用本文方法控制多電平并網逆變器交流側a相電壓電流效果較好，受諧波影響小，抑制諧波能力強。

為驗證本文方法在電網電壓出現較大波動時的并網電壓控制效果，以迅速增加和降低電網電壓方式展開仿真，將電網電壓波動設置為在時間為0.3s時迅速下降30%，時間為0.5s時恢復設定數值，時間為0.7s時迅速升高20%。實驗結果如圖5所示。

圖5 電網電壓波動時控制效果

分析圖5可知，在電網電壓出現迅速下降和迅速上升等較大波動時，本文方法可有效控制并網電壓值始終在-50V～50V之間波動，且電壓曲線呈現波浪狀起伏的均勻波動，表示本文方法控制下的電網電壓輸出質量較高，實驗結果表明，本文方法在電壓出現波動時所受影響較小，可維持電壓穩定輸出。

為驗證本文方法鎖相和定向能力，取正序電壓和負序電壓在dq軸的分量展開實驗，由圖6表示。

圖6 正序電壓和負序電壓在dq軸的分量

分析圖6可知，正序電壓和負序電壓在q軸的分量波動較小，分量為零的狀態較多；正序電壓在d軸分量波動曲線呈現直線-曲折下降-直線狀態，負序電壓在d軸分量波動曲線呈現波浪狀上升后保持直線狀態，正序電壓和負序電壓在d軸的分量幅值相同，可見本文方法鎖相和定向較精準。

在非理想電網情況下，分別使用本文方法與文獻[6]方法、文獻[7]方法對非理想電網的多電平并網逆變器有功功率和無功功率展開控制，結果如圖7所示，其中文獻[6]方法為電網電壓不平衡及諧波狀態下的并網逆變器控制策略，文獻[7]方法為模塊化多電平光伏并網逆變器的不對稱容錯控制策略。

圖7 有功功率和無功功率控制效果對比

分析圖7可知，在有功功率控制情況下，文獻[6]方法和文獻[7]方法的控制曲線隨著時間的增加呈現波浪式上升趨勢，本文方法控制曲線隨著時間的增加，有功功率數值保持在-2.5MW～-0.31MW之間；在無功功率控制情況下，本文方法控制下的無功功率波動較小，功率數值在0.2MW～-0.1MW之間波動，另外兩種對比方法控制下的功率數值在0.4MW～-0.2MW范圍內波動，因此本文方法無功功率控制效果優于文獻[6]方法和文獻[7]方法。綜上可知，在非理想電網情況下，本文方法可有效實現多電平并網逆變器的有功功率和無功功率控制，且可顯著抑制有功功率和無功功率波動，控制穩定性好。

4 結論

本文利用由光伏組件、濾波器、電網以及ANPC逆變器組成的3L-ANPC光伏并網逆變器，通過在非理想電網下構建3L-ANPC光伏并網逆變器屬性模型，計算正負序電流電壓并對其實施分離和定向，利用Matlab仿真軟件構建3L-ANPC光伏并網逆變器仿真模型，對非理想電下多電平并網逆變器控制展開仿真。實驗結果表明：控制交流側a相電壓電流效果好，抑制諧波能力強；在電網電壓出現較大波動時，可有效控制并網電壓數值保持在-50V～50V之間，輸出電網電壓質量高；正序電壓和負序電壓在q軸內的分量為0狀態較多，本文方法鎖相與定向精確；有功功率數值始終保持在-2.5～-0.31MW之間，在無功功率控制情況下，可將無功功率波動數值控制在0.2MW～-0.1MW之間，控制效果穩定。

本文雖然實現了非理想電下多電平并網逆變器控制，且效果較好，但受實驗條件限制，未分析弱電網、電網阻抗等多種因素下多電平并網逆變器控制效果，因此本文方法具有片面性，需針對多種情況對非理想電下多電平并網逆變器控制效果展開進一步研究。