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(shù)

微電網(wǎng)不平衡電壓的并網(wǎng)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(wǎng)中有大量的單相負載運行，其三相電壓容易出現(xiàn)不平衡。在微電網(wǎng)電壓不平衡下，并網(wǎng)逆變器傳統(tǒng)的鎖相環(huán)（PLL）控制輸出電流產(chǎn)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(huán)直接功率控制策略。在微電網(wǎng)電壓不平衡條件下對所提出的制策略進行驗證，實驗結(jié)果證明了該控制算法的有效性。

并網(wǎng)逆變器；電壓不平衡；直接功率控制；無鎖相環(huán)

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

逆變器是微電網(wǎng)的一個重要的組成部分，當逆變器在微電網(wǎng)的支路中工作時，對逆變器并網(wǎng)的基本要求是輸出與微電網(wǎng)電壓同頻、同相[2]的交流電，鎖相環(huán)技術(shù)是實現(xiàn)同步的關鍵，基于同步坐標系的軟件鎖相環(huán)（single synchronous reference frame for software phase locked loop，SSRF SPLL）是目前應用最為廣泛的鎖相環(huán)技術(shù)。微電網(wǎng)電壓不平衡時，電壓負序分量會在dq坐標系下產(chǎn)生二倍頻的交流分量，導致PLL計算鎖相角的過程會產(chǎn)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(zhì)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(wǎng)不平衡電壓下并網(wǎng)逆變器的控制策略。

傳統(tǒng)的提取電網(wǎng)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(huán)法（Decoupled Double Synchronous Reference Frame PLL，DDSRFPLL），此方法能有效提取微電網(wǎng)電壓正序分量，但是計算大，有2個旋轉(zhuǎn)坐標系，4個低通濾波器，結(jié)構(gòu)復雜。文獻[4]提出的T/4周期延時法，此方法計算量小，穩(wěn)定性高，但是前提是T/4周期內(nèi)電網(wǎng)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(shù)據(jù)。文獻[5]提出的基于全通濾器改進的三相dq鎖相技術(shù)，該方法不能消除電網(wǎng)諧波對PLL的影響。上述方法都用到了鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，輸出電流都會產(chǎn)生不同程度的諧波。

直接功率控制[6]具有功率因數(shù)高，算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)性能好的優(yōu)點。本文采用無鎖相環(huán)直接功率控制策略[7]，通過全通濾波器對同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓量進行90°相移的功能提取微電網(wǎng)電壓基波正序分量。再結(jié)合預設旋轉(zhuǎn)頻率法計算得到有功、無功電流參考值，省去了PLL，數(shù)字實現(xiàn)簡單，實時性好，能很好解決逆變器有鎖相環(huán)控制導致的輸出電流諧波含量大的問題。

1 微電網(wǎng)不平衡電壓對鎖相環(huán)產(chǎn)生的影響

為了使并網(wǎng)逆變器的輸出電流和微電網(wǎng)電壓的頻率相位保持一致，常使用PLL技術(shù)獲取微電網(wǎng)電壓的頻率相位信息。PLL能跟蹤微電網(wǎng)電壓的基波正序分量，能有效地適用于微電網(wǎng)電壓平衡時頻率、相位及幅值的檢測。如圖1所示，采樣網(wǎng)側(cè)電壓ua，ub，uc轉(zhuǎn)化成dq兩相旋轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，輸出值加上初始工頻角頻率ω，再經(jīng)過積分環(huán)節(jié)得到鎖相輸出相位θ*，此時PLL的輸出相位θ*鎖定微電網(wǎng)電壓相位θ.

圖1 SSRF SPLL原理

微電網(wǎng)電壓不平衡量表示為：

式中，Um為微電網(wǎng)電壓幅值，η、λ、ζ為常量。

將微電網(wǎng)電壓ua，ub，uc變換到dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，取d軸分量得：

SSRF SPLL將uq通過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)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(zhuǎn)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(wǎng)逆變器輸出的電流為式（5）.

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

2 無鎖相環(huán)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(huán)節(jié)，具有高功率因數(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。在微電網(wǎng)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(zhuǎn)頻率與電網(wǎng)頻率相同的角頻率參與坐標變換，由于給定旋轉(zhuǎn)頻率相角θ1=ωt+ω1的初相角是隨機的，因此給定旋轉(zhuǎn)頻率的相角和電網(wǎng)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(wǎng)角頻率相等的交流分量進行90°相移，再通過簡單的數(shù)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(wǎng)電壓的基波頻率ω相等，式（9）變?yōu)椋?/p>

不平衡電壓經(jīng)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(diào)節(jié)器無法做到無靜差調(diào)節(jié)。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(xiàn)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(jié)果

在Simulink仿真中，把微電網(wǎng)A相電壓降低10%，進行傳統(tǒng)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(jié)果如圖4、圖5.

圖4 傳統(tǒng)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(wǎng)電壓不平衡條件下，并網(wǎng)逆變器通過傳統(tǒng)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(wěn)定的直流量，仿真結(jié)果符合理論分析。并網(wǎng)逆變器在傳統(tǒng)PLL控制下，進網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)電壓，將微電網(wǎng)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(lián)在一起進行不平衡實驗，實物波形如圖6、圖7.

圖6 傳統(tǒng)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(jié)果和圖6的實驗結(jié)果可知傳統(tǒng)PLL控制的輸出電流發(fā)生畸變，諧波含量高；由圖5的仿真結(jié)果和圖7的實驗結(jié)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?？梢姡谖㈦娋W(wǎng)電壓不平衡條件下，并網(wǎng)逆變器在基于全通濾波器的無PLL直接功率控制的進網(wǎng)電流諧波含量比傳統(tǒng)PLL控制低。

4 結(jié)論

為了降低微電網(wǎng)不平衡電壓條件下的并網(wǎng)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(wǎng)電壓基波正序分量，結(jié)構(gòu)簡單，計算量小。微電網(wǎng)不平衡電壓下的仿真和實驗結(jié)果表明，基于全通濾波器的無PLL直接功率控制比傳統(tǒng)PLL控制的輸出進網(wǎng)電流諧波含量低。

[1]楊新法，蘇劍，呂志鵬，等.微電網(wǎng)技術(shù)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(wǎng)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(shù)[J].電力電子技術(shù)，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(wǎng)下無鎖相環(huán)三相并網(wǎng)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(zhuǎn)與控制，微電網(wǎng)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(zhuǎn)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(shù)，新能源換轉(zhuǎn)與控制。