何麗君，王明渝

（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400044）

電網(wǎng)電壓不平衡時兩級式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制策略研究

何麗君，王明渝

（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400044）

0　引 言

與以往獨立光伏系統(tǒng)不同，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)通過具有高頻、非線性等特性的電力電子裝置接入公共電網(wǎng)，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時，電網(wǎng)電壓、電流中就會含有大量的負(fù)序分量，光伏系統(tǒng)輸出功率也會發(fā)生波動，這會對電力系統(tǒng)設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害，影響光伏并網(wǎng)效果［1］。事實上，關(guān)于電網(wǎng)不平衡時并網(wǎng)變換器的控制研究很早就已開始，早期主要針對的是PWM整流器或者風(fēng)電并網(wǎng)。文獻(xiàn)［2］給出了電網(wǎng)不平衡時PWM變流器網(wǎng)側(cè)直流電壓及電流的表達(dá)式，指出在電網(wǎng)不平衡情況下，傳統(tǒng)的控制策略會讓PWM變流器交流側(cè)和直流側(cè)產(chǎn)生相應(yīng)諧波分量，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流畸變，但尚未實現(xiàn)對正負(fù)序電流的精確控制。文獻(xiàn)［3］基于風(fēng)電并網(wǎng)，考慮了電抗器上的功率波動，實驗中針對輕微的不平衡，利用機(jī)側(cè)電流前饋實現(xiàn)了電網(wǎng)電壓不平衡條件下穩(wěn)定控制。

但總的來說，基于電網(wǎng)電壓不平衡條件下的光伏并網(wǎng)研究還較少，大多集中在電網(wǎng)電壓平衡情況下［46］。針對電網(wǎng)不平衡的逆變器控制，現(xiàn)有的基于瞬時功率理論的三相自然坐標(biāo)系下的控制策略，需3個控制器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制精度低［78］，若采用基于靜止坐標(biāo)系的控制方法，其控制器設(shè)計復(fù)雜，較難實現(xiàn)，而基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的控制策略，其控制器設(shè)計簡單，調(diào)試方便易行，能取得良好的控制效果。

光伏并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，光伏并網(wǎng)逆變器按交流輸出相數(shù)，分為單相、三相和多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三相光伏逆變器按其變換級數(shù)主要又可分為單級式［9］和兩級式［10］。單級式結(jié)構(gòu)簡單，但控制較為復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計靈活性差，而兩級式并網(wǎng)系統(tǒng)中前級DC/DC變換器實現(xiàn)升壓功能和進(jìn)行光伏陣列最大功率跟蹤（maximum power point tracKing，MPPT），后級DC/AC逆變器則主要進(jìn)行逆變，實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)等功能，前后兩個環(huán)節(jié)可以有獨立的控制手段和目標(biāo)，控制容易實現(xiàn)，在光照強(qiáng)度較弱時還能減小陰影對整個系統(tǒng)的影響，適用于中小功率場合［11］。關(guān)于在電網(wǎng)電壓不平衡情況下單級式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究尚有一些［1213］，兩級式結(jié)構(gòu)較少提及。

本文將針對電網(wǎng)電壓不平衡情況下的兩級式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過對前級Boost直流變換器和后級三相逆變器系統(tǒng)的獨立控制，實現(xiàn)對光伏電池輸出功率的最大功率跟蹤，同時抑制電網(wǎng)不平衡條件下逆變器網(wǎng)側(cè)的負(fù)序電流，從而保護(hù)電力電子設(shè)備，提高光伏系統(tǒng)并網(wǎng)能力，保證電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠安全運行。

1　兩級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浼皵?shù)學(xué)模型

本文研究的兩級式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。第一級采用Boost變換器作為DC/DC變換器，第二級采用帶電感L濾波的三相DC/AC逆變器，前級DC/DC變換器實現(xiàn)升壓功能和進(jìn)行光伏陣列最大功率跟蹤，后級DC/AC逆變器則主要進(jìn)行逆變，實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)等功能。當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時，會對并網(wǎng)逆變器的正常工作造成影響，導(dǎo)致并網(wǎng)電流畸變以及功率波動。為了保證并網(wǎng)系統(tǒng)可靠運行，現(xiàn)針對三相電網(wǎng)電壓不平衡時，并網(wǎng)逆變電路進(jìn)行建模分析。

圖1　兩級式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)?/p>

電網(wǎng)電壓不平衡時，為了便于分析，首先只考慮電網(wǎng)電壓基波分量，則電網(wǎng)電壓E可以分解為正序分量E+、負(fù)序分量E-和零序分量E0［1415］，即

對于無中線的三相系統(tǒng)，不存在零序電流回路，因此忽略零序分量，即E0=0。

在復(fù)平面坐標(biāo)系中，

針對圖1中后級三相光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時，可得到基于dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下三相光伏逆變器解耦的正負(fù)序復(fù)矢量方程為［17 18］

當(dāng)三相電網(wǎng)電壓不平衡時，由功率理論知，并網(wǎng)逆變器網(wǎng)側(cè)復(fù)功率S可以表示為［14］

將式（2）和（3）帶入上式，可得

式中：P0、Q0分別為有功、無功功率的平均值；PC2、PS2分別代表二次有功功率余弦、正弦項峰值；QC2、QS2分別代表二次無功功率余弦、正弦項峰值，并且這些功率值在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下可表示為［14］

通過上式就可以根據(jù)要求計算得到實際電路并網(wǎng)電流的參考值。這里需注意，式（8）涉及的功率，忽略了濾波電感壓降引起的功率不平衡量［19］。

2　系統(tǒng)控制方法

在前級電路中，根據(jù)輸出功率要求，本文采取一種改進(jìn)最大功率跟蹤算法尋求MPP，其算法流程參照文獻(xiàn)［5］。后級逆變電路控制詳述如下。

2.1抑制逆變器網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流控制策略

如前所述，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時，電網(wǎng)電壓、電流會出現(xiàn)負(fù)序分量，根據(jù)光伏電站接入電網(wǎng)后，并網(wǎng)電流的總諧波畸變率要小于5%的技術(shù)指標(biāo)［20］，因此要抑制逆變器網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流，盡量保證單位功率因數(shù)并網(wǎng)。對于后級逆變電路的控制主要包括兩部分，一是直流環(huán)電壓控制，二是抑制網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流不平衡控制。而本文將提出一種抑制逆變器網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流的控制方法。

在控制輸出電流時，可采用前饋解耦方式，使得d、q軸相互獨立，易于控制。因此結(jié)合式（4）并加入電流前饋控制環(huán)節(jié)，忽略電阻R，經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)后的參考控制電壓可以按式（11）、（12）進(jìn)行設(shè)計［17］：

根據(jù)上述控制算法，可得到在電網(wǎng)電壓不平衡情況下，兩級式三相光伏系統(tǒng)整體控制策略結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，該控制策略具有抑制逆變器網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流的功能。

2.2 正負(fù)序分量分離及鎖相

要保證逆變器能夠正常并網(wǎng)，必須要使逆變器并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同步，在電網(wǎng)電壓不平衡時，電網(wǎng)相位角的精確獲取在三相并網(wǎng)逆變器控制中非常關(guān)鍵。本文采用基于二階廣義積分器（second-order generalized integrator，SOGI）的正交信號發(fā)生器鎖相環(huán)，此種鎖相環(huán)能有效進(jìn)行正負(fù)序檢測分離并提取電網(wǎng)電壓相位，基于SOGI的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)原理如圖3所示［2122］。

利用對稱分量法，三相電壓矢量的瞬時正負(fù)序分量可以分別表示為

因此，在兩相靜止同步坐標(biāo)系中，瞬時正負(fù)序電壓分量可以分別表示為

圖2　電網(wǎng)電壓不平衡情況下兩級式光伏系統(tǒng)控制框圖

圖3　基于二階廣義積分器（SOGI）的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)原理圖

圖4中SOGI的傳遞函數(shù)D（s）、Q（s）為

圖4　二階廣義積分器（SOGI）原理圖

3　仿真及結(jié)果分析

為了驗證本文所述三相光伏并網(wǎng)控制策略的正確性，根據(jù)圖2在Matlab/SimulinK中搭建兩級式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真整體電路。前級電路光伏陣列電池模型采用文獻(xiàn)［23］中使用的數(shù)學(xué)模型，前級實現(xiàn)MPPT控制和升壓功能；后級逆變器電路采用電網(wǎng)電壓不平衡抑制負(fù)序電流控制策略，濾波器為電感L濾波，該系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1　兩級式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真參數(shù)

仿真時間設(shè)置到0.5s，仿真開始時，光伏陣列溫度T=25℃，光照強(qiáng)度G設(shè)為1 000W/m2，電網(wǎng)電壓平衡情況下三相電網(wǎng)電壓峰值均為311V，相位互差120°；在0.25s時刻，發(fā)生電網(wǎng)電壓不平衡，直至0.5s，此間三相電網(wǎng)電壓峰值分別設(shè)為280V，311V，311V，相位仍互差120°，三相電網(wǎng)電壓波形如圖5（a）。圖5（b）為給定電網(wǎng)電壓不平衡情況下，采用常規(guī)雙閉環(huán)控制策略的三相并網(wǎng)電流波形［4］，可以看到0.25s后并網(wǎng)電流畸變。

本文仿真驗證所述抑制負(fù)序并網(wǎng)電流控制策略正確性時，為了同時驗證本文前級Boost電路MPPT控制算法的有效性，在0.32s，使光照強(qiáng)度G由1 000W/m2突變?yōu)?00W/m2，0.38s時又從800W/m2恢復(fù)為1 000W/m2；在0.4s，改變光伏陣列所處外界環(huán)境溫度，溫度從25℃突升到75℃，在0.45s又降回25℃，變化過程如圖6（a）所示。圖6（a）中，從上到下，依次為光照強(qiáng)度G、溫度T、光伏陣列輸出功率Ppv。圖6（b）為采用本文所述抑制負(fù)序電流控制策略的兩級式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)電流波形。在0.25s電網(wǎng)電壓發(fā)生不平衡情況下，從圖6（a）中可以看出，無論電網(wǎng)平衡或不平衡，光照強(qiáng)度或者溫度如何突變，光伏陣列輸出都能快速地處于穩(wěn)定狀態(tài)，并實現(xiàn)最大功率點的跟蹤，證明了前級MPPT控制算法的正確性。而對于兩級式結(jié)構(gòu)的三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)電流，經(jīng)過短暫的暫態(tài)過程，三相并網(wǎng)電流保持平衡，正弦度高，需要指出的是，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時，從0.25s到0.32s，由于光伏陣列輸出功率不變，并網(wǎng)電流會略有增大；而在0.32～0.38s，由于此期間光照強(qiáng)度G發(fā)生了改變，導(dǎo)致光伏陣列輸出功率降低，并網(wǎng)電流會降低；從0.38～0.4s，光照強(qiáng)度G恢復(fù)，此時并網(wǎng)電流情況同0.25～0.32 s期間情況；從0.4～0.45s，外界環(huán)境溫度T發(fā)生改變，導(dǎo)致光伏陣列輸出功率略降，因此并網(wǎng)電流也會相應(yīng)有所降低。

圖5　電網(wǎng)電壓不平衡時三相電網(wǎng)電壓及并網(wǎng)電流波形（常規(guī)雙閉環(huán)控制策略）

圖7為區(qū)別于兩級式結(jié)構(gòu)，而采用單級式結(jié)構(gòu)光伏系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓不平衡條件下取得的并網(wǎng)電流波形，仿真時除了將兩級式結(jié)構(gòu)換成單級式結(jié)構(gòu)外，其他仿真參數(shù)完全相同，可以看到在同樣條件下，使用單級結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)無法正常工作，這是因為單級結(jié)構(gòu)的光伏輸入范圍比兩級的要小，在此情況下無法進(jìn)行正常逆變并網(wǎng)，而兩級結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更為靈活，且在電網(wǎng)電壓不平衡情況下能實現(xiàn)獨立控制，設(shè)計簡單。

圖6　電網(wǎng)電壓不平衡時兩級式三相光伏系統(tǒng)輸出波形（抑制負(fù)序電流控制策略）

圖7　電網(wǎng)電壓不平衡時單級式三相光伏系統(tǒng)并網(wǎng)電流波形

以A相并網(wǎng)電流為例，在電網(wǎng)電壓不平衡，溫度T為25℃，光照強(qiáng)度G為1 000W/m2情況下，穩(wěn)態(tài)輸出時進(jìn)行頻譜分析，可得系統(tǒng)交流輸出電流總諧波畸變率THD為2.43%，滿足標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 929 2000［24］（THD＜5%）中關(guān)于光伏逆變器的并網(wǎng)要求，驗證了本文提出的電網(wǎng)電壓不平衡時抑制負(fù)序電流控制策略的有效性。綜上，本文中建立的兩級式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)能在電網(wǎng)電壓變化情況下穩(wěn)定運行，并同時保證并網(wǎng)電流的平衡度。

4　結(jié) 論

本文基于兩級式三相光伏逆變系統(tǒng)，建立電網(wǎng)電壓不平衡情況下三相光伏逆變器的數(shù)學(xué)模型，并提出對前級Boost電路及后級逆變器電路的控制策略，前后兩級控制相互獨立，便于控制。電網(wǎng)電壓不平衡時，后級逆變系統(tǒng)中會產(chǎn)生負(fù)序分量，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全可靠運行，因此本文在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行算法計算得到并網(wǎng)電流參考指令值，基于SOGI的正負(fù)序分量提取方法能有效提取正負(fù)序分量并實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓的鎖相。仿真結(jié)果驗證了在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，建立的兩級式三相光伏逆變系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時，抑制負(fù)序電流不平衡的控制方法也能有效地保證并網(wǎng)電流的平衡，證明了整個系統(tǒng)的可靠性，可為在電網(wǎng)電壓不平衡條件下進(jìn)行三相光伏逆變器并網(wǎng)研究提供一定的參考。

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（責(zé)任編輯:楊秋霞）

Research on Control Strategy for Two-stage Three-phase PV Grid-connected System Under Unbalanced Voltage Conditions

HE Lijun，WANG Mingyu
（State Key Laboratory of Transmission Equipment and System Safety and Electrical New Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

在實際運行中，電網(wǎng)可能會出現(xiàn)不平衡狀況。根據(jù)光伏陣列輸出特性和逆變器并網(wǎng)要求，對兩級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)進(jìn)行研究，建立不平衡情況下的數(shù)學(xué)模型來實現(xiàn)前級Boost電路和后級逆變系統(tǒng)的獨立控制。為了抑制負(fù)序分量，采用基于二階廣義積分（SOGI）的正交信號發(fā)生器進(jìn)行正負(fù)序分量分離并完成對電網(wǎng)電壓的鎖相，同時，提出一種基于dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的抑制負(fù)序電流的控制策略。最后通過建立光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，驗證了所提出的控制策略在電網(wǎng)電壓不平衡情況下的有效性。

電網(wǎng)電壓不平衡；兩級式光伏；并網(wǎng)逆變器；負(fù)序電流；二階廣義積分

In actual operation，voltage imbalance may occur. According to output characteristics of photovoltaic array and the requirement of grid-connected inverter，two-stage PV grid-connected system isstudied，and the mathematical model of unbalanced grid is established to independently control the Boost chopper and the inverter system.In order to restrain the negative sequence component，orthogonal signal generator based on second-order generalized integrator（SOGI）is used to separate the positive-negative sequence component and realize the phase locking of grid voltage.At the same time，a control strategy of suppressing the negative sequence current in dq synchronous rotation reference frame is proposed.In the end，simulation model of PV grid-connected system is established to verify the validity of proposed strategy under the unbalanced grid voltage conditions.

grid voltage unbalance；two-stage PV；grid-connected inverter；negative sequence current；SOGI

1007-2322（2015）02-0016-07

A

TM464

2014-06-11

何麗君（1990—），女，碩士研究生，研究方向為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的運行及控制，E-mail：984539287@qq.com；

王明渝（1960—），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力電子與電力傳動等，E-mail：ceemwang@cqu.edu.cn。