电网电压不平衡条件下并网逆变器的研究

王春蕾，张代润

（四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065）

随着全球范围内的能源短缺和环境污染问题的日益凸显，清洁、可再生能源的利用引起了世界广泛关注，太阳能、风能等能源以其不竭性和环保优势成为当今新能源利用研究的热点[1-2]，而并网逆变器作为可再生能源发电系统中连接电网、传递能量的核心装置，其并网控制成为研究的关键[3]。

传统并网逆变器的逆变输出电压直接被箝位到电网电压，而电流控制用直流环节的电压反馈来控制其幅值，从而使系统稳定地并网运行。但是当电网电压不平衡时，逆变器输出电流就会产生负序分量。本方案首先提取电网电压和逆变器输出电压的负序分量[4]，然后通过控制两者相等以消减甚至消除并网电流的负序分量，从而使系统稳定安全地运行。同时由于文中的直流侧电压环的反馈控制和负序电压的反馈控制又是相互独立，因此也有着较好的抗干扰性能。

1 系统结构

一般的新能源发电并网系统主要有单级式、两级式和多级式，由于两级式前面的MPPT环节和后级并网逆变器可以独立控制，从而成为较多使用的拓扑[5]。本文对前级的最大功率跟踪控制不作介绍，主要针对后级的并网逆变器控制做分析，图1所示为一个三相三线制系统的结构功能图。从图中可以看出，其中有两个主参考控制框架，一个为直流环处的电压反馈控制，另一个参考控制框架则由电网电压和逆变器输出电压负序分量的相关控制来实现逆变器的输出电流负序分量的消减，然后通过两个参考框架得到的电流值分量进行叠加，作为参考电流输入电流控制模块，以得到控制逆变器的开关信号使逆变器工作。从图中可以看出，需要检测的参数有三相电网电压ea、eb、ec，逆变器输出电压va、vb、vc，逆变器输出电流 ia、ib、ic，直流侧电压Vdc。

2 系统的控制实现

2.1 负序电压控制的基本原理

由于系统采用三相三线制结构，当电网电压不平衡时，电压就可以被分解为正序、负序分量。图2给出了逆变器输出电压的正序、负序的等效电路图，其中[ea+、eb+、ec+]和[ea-eb-ec-]分别为电网电压的正序、负序分量,[ia+ib+ic+]和[ia-ib-ic-]分别为并网电流的正序、负序分量。传统的控制结构中会令[va-vb-vc-]=0，仅仅包括正序分量。由于滤波电感L和电阻R的存在，当电网电压不平衡时，负序电流[ia-ib-ic-]比较大。从图2中可以看出，当[va-vb-vc-]=[ea-eb-ec-]时，负序电流就被消减为0。

从控制框图中可以看出，负序电压控制环首先是通过一些列矩阵变换得到电网电压和逆变器电压在dq坐标系下的各个负序分量，把电网电压在dq坐标系下地负序量作为参考信号，让逆变器输出电压的负序分量跟随其变化，即分别通过其对应作比较后经过PI控制器得到负序的参考信号，然后经过 dq/αβ变换得到，与直流电压反馈得到的相叠加然后得到在αβ坐标系下的电流参考信号，最后经过变换得到三相参考电流信号送入电流控制模块以得到开关信号去控制逆变器。

2.2 负序分量的获取

从系统框图可以看出，本控制系统的关键之一在于逆变器输出电压和电网电压的负序分量。根据对称分量法可知,三相电压矢量vabc=[vavbvc]T可分解为正序、负序和零序分量,由于本文讨论的三相三系制系统,所以没有零序分量。其中正序分量为：

联立式(1)、式(2)可得到α β坐标系电压正序分量：

αβ坐标系电压负序分量为：

式中，k为旋转因子，表示相移 90°。此处采取 H(s)=，其Bode图如图3所示。从图中可以看出在正序和负序频率50 Hz附近相频特性位-90°，而对应的幅频特性为0 dB，即相对幅值为 1，可见满足旋转因子k的要求。同理电网电压负序分量的提取采用相同的方法，这里不再赘述。

2.3 电流跟踪控制

常用的电流控制方法主要有电流滞环控制和固定开关频率控制。滞环电流跟踪控制方法硬件电路十分简单，属于实时控制方式，电流响应很快，不需要载波，输出电压中不含有特定频率的谐波分量[6]。基于其具有较好动态性能的考虑，本文采用电流滞环跟踪控制的方式，其原理框图如图4所示。

图为A相电流滞环跟踪控制框图，其中的一阶惯性环节可以加快控制的响应速度，t为惯性时间常数。可以看出这里的实际A相逆变器电流ia和求得的A相指令电流ia*进行比较，形成电流闭环实时跟踪控制，因此补偿电流能够实时精确地跟踪补偿参考电流，从而补偿电网电流，使其正弦化。

3 系统仿真与结果

为了验证系统的可行性,利用Matlab/Simulink对其进行了建模仿真，仿真模型根据原理框图1所建，主要参数有：逆变器输出滤波电感L=2 mH，缓冲电阻R=0.1 Ω，直流母线侧电容 C2=3 000 μF，基准电压 Udc*=600 V，三相电网线电压幅值 ea=330 V、eb=330 V、ec=280 V，频率为50 Hz。图5为检测到的各处仿真波形图。

本文对可再生能源发电在电网电压不平衡条件下的并网逆变器控制进行了探讨，在传统的直流侧电压反馈环的基础上增加了电网电压负序分量作为参考量以及逆变器输出电压负序分量作为跟踪量的跟踪反馈控制环，以达到减弱甚至消除并网电流负序分量的效果，以利于并网逆变器更好地运行。同时这两个控制环节相互独立，不存在干扰，这也增强了系统的鲁棒性。仿真结果表明，在电网电压不平衡的条件下，逆变器输出电压负序分量较好地跟踪了电网电压的负序分量，使并网电流有较好的效果，达到了控制目的，验证了该方法的可行性。

[1]李安定，太阳能光伏发电系统工程[M].北京:北京工业大学出版社,2001.

[2]OMAN H.Space solar power development[J].IEEE AES Systems Magazine,2000,15(2):3-8.

[3]QIAO C,SMEDLEY K.Three-phase grid-connected in verters interface alternative energy source with unified constant-frequency integration control[C].Proc of IAS′2001 Conf.California,USA:[s.n.],2001:2675-2682.

[4]孙孝峰,顾和荣，王立乔，等，高频开关逆变器及其并联并网技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

[5]禹华军，潘俊民.一种同时实现无功补偿的光伏并网发电技术[J].上海交通大学学报,2005,39(S1):49-52.

[6]薛文平,刘国海.一种基于改进型 ip-iq方法的有源滤波器[J].电气传动,2006,36(2):38-41.