电网故障下采用广义积分器的并网变流器控制

朱黎丽，王国宁，杜雄，孙鹏菊（1.重庆工程职业技术学院电气工程学院，重庆4060；.重庆大学电气工程学院，重庆400030）



电网故障下采用广义积分器的并网变流器控制

朱黎丽1，2，王国宁2，杜雄2，孙鹏菊2
（1.重庆工程职业技术学院电气工程学院，重庆402260；
2.重庆大学电气工程学院，重庆400030）

摘要：并网逆变器不仅能输出有功功率，还要在电网故障时，输出一定的无功，以提高并网逆变器的安全运行能力。引入复功率控制的概念，采用广义积分器对电压复信号进行同步信号检测，获得电网电压的幅值与相位信息；根据给定的复功率大小，计算出逆变器需要输出的电流复信号的大小；对电流复信号进行控制，使反馈电网电流跟踪电流给定，从而最终实现逆变器输出给定的复功率。仿真与实验均证明，采用广义积分器可以实现并网逆变器的功率控制。

关键词：复功率；复信号；广义积分器；同步信号检测；电流控制；电网故障

随着新能源发电技术的大量应用，并网逆变器作为其核心硬件之一，是连接电网和新能源发电的接口。由于电网规模越来越庞大，工况也变得复杂，并网逆变器不仅要输出有功功率，还要在电网故障时，需要对电网输出一定的无功功率补偿电网电压［1-2］。因此，并网逆变器能够在电网故障时具有有功和无功输出能力以及正常工作时调度输出有功功率的能力。

为了实现并网逆变器定量功率的输出，需要同步信号检测结构（SSD）［3］、电流控制结构和功率计算结构，如图1所示。其中SSD结构可以实现电网电压的幅值与相位信息的检测，这是逆变器并网的基本模块；功率计算模块是将给定的功率信息转换成给定的并网电流参考信息，其中的计算需要电网电压的幅值与相位；电流控制结构，控制输出并网电流跟踪电流参考，最终实现并网逆变器的功率控制。

图1　并网逆变器系统Fig.1 Grid-tied inverter system

目前，SSD、电流控制和功率计算的实现，可以在旋转坐标系下和静止坐标系下实现。在旋转坐标系下，需要将三相电网电压和电流信号变换到旋转坐标系下，电压和电流信号由交流量变为直流量，便于功率计算，同时采用比例积分控制器（PI），实现直流反馈量跟踪给定，再将直流量反变换到静止坐标系下，从而实现交流信号的同步信号检测和电流控制。在电网故障情况下，常用的同步信号检测方法为解耦双同步参考坐标系锁相环（DDSRF-PLL）［4］和用于电流控制的为解耦双同步坐标系下的PI控制［5］。该方法可以实现功率的控制，但是中间有旋转变换和反变换，增加计算量，控制过程也比较复杂。

在静止坐标系下，不需要进行旋转变换，可以直接采用比例谐振（PR）控制器对交流量进行控制。主要同步信号检测方法有二阶广义积分器锁频环（SOGI-FLL）［6］和静止坐标系下的PR控制［7］（谐振控制器与SOGI性能是一样的），最终实现静止坐标系下的功率控制。文献［8-9］采用降阶谐振调节器和复系数滤波器同样实现了静止坐标系下的同步信号检测；文献［10-11］采用降阶广义积分器实现了电流控制，实现方法更为简单，但仍需对其机理进行说明。

本文为了简化分析，采用复功率的定义，将有功和无功作为整体，并通过复功率的控制，实现变流器的功率控制。同时采用复信号的概念，在静止坐标系下，采用广义积分器，对电压复信号进行同步信号检测，获得幅值与相位信息；采用复数运算，由功率参考值，获得电流复信号参考值；通过在电流环路中加入广义积分器，实现电流复信号的控制，最终使并网逆变器输出给定复功率。为了使控制方法具有普遍性，本文的分析均是在电网故障时，电网含有负序分量的情况下分析和控制。下文以图1所示的并网逆变器系统为例将对并网逆变器的复功率进行具体分析与控制。其中，S*为功率给定，系统参数为：电源电压Vdc=400 V，电网电压Vg=110 V，载波幅值Vm=1 V，开关频率fs=10 kHz，滤波电感L=3 mH，电感内阻r=0.1 Ω。

1　三相功率复数表示

在不对称三相三线制的系统中，三相电压和电流一般可以表示为正负序分量的叠加形式

式中：va，vb，vc为三相电网电压；Vp，Vn为电压正负序分量的幅值；φn为负序的相位；ω0为基波角频率。

在静止坐标系下的控制中，一般将三相电压电流进行Clark变换，得到两相αβ分量，其中电压量表示为

由式（2）可知，αβ分量是一对正交分量，一对正交的实信号可以表示成一个复信号，可以简化分析。根据欧拉公式，又将复信号写成复指数形式，三相电压和电流的复信号表示成如下形式：

复数形式的电压V和电流I可以看成二端口网络的电压电流信号，复信号也可以表示正交信号的幅值与相位信息。因此，复功率可以写成

式中：I*为电流复信号的共轭。

复功率的实部P为有功功率，虚部Q为无功功率，从而将有功功率和无功功率表示为一个整体。为实现变流器输出一定的复功率，将复功率作为给定，电压电流的复信号作为控制量，实现并网变流器在复信号形式下的控制。

2　复信号的控制

在并网变流器中，与实信号的控制相比，同样需要同步信号提取结构和电流控制。针对复信号的控制，本文引入广义积分来控制。

2.1广义积分控制器

二阶广义积分器是在αβ坐标系下对正弦交流实信号进行控制，其表达式为

在频域中，二阶广义积分器的Bode图见图2。

图2　二阶广义积分器Bode图Fig.2 The Bode plot of SOGI

二阶广义积分器在基波的正频率和负频率均有一个无穷大增益，在反馈回路中可以同时提取出基波正负序分量。但是在故障情况下，电网电压信号含有负序，需要将正负序电压分离进行控制［12］。因此，检测正负序分量的同时使用对称分量法进行正负序分解，但处理过程较为复杂。

将二阶广义积分器分解，得到基波正序和负序处的广义积分器GIp（s）和GIn（s），分别在基波正序和负序处有无穷大增益，在反馈回路中可以分别提取出基波正负序分量。广义积分控制器的结构框图如图3所示。

图3　GIp（s）的控制框图Fig.3 GIp（s）control structure

广义积分控制器的输入信号为一对αβ分量，在本文中，广义积分器的输入信号为复信号。不对称电压复信号中，包含正负序分量，可以通过复系数控制器——广义积分器（GI）分别提取复信号的正序和负序分量。

2.2复信号的同步信号检测

在变流器控制中，同步信号检测结构是提取电网电压的幅值与相位信息。在对复信号的幅值与相位信息的提取中，依然依靠类似于实信号提取的反馈环路。

本文采用GI控制器直接提取复信号的正负序分量，结合锁频环，可以在电压复信号频率变化的工况下，实现同步信号检测的功能，控制框图如图4所示。

图4　同步信号检测框图Fig.4 Synchronization signal detection structure

同步信号结构框图的传递函数为

由式（6）可知，当输入频率为ω0时，SSDp(jω0)= 1，SSDn(jω0)=0；而输入频率为-ω0时，SSDp(jω0)= 0，SSDn(jω0)=1。因此图4所示的同步信号提取方法可直接分离出正序和负序复信号分量，与SOGI-FLL和DDSRF-PLL相比无需进行额外的正负序分离、解耦和三角函数运算。而且，如果含有谐波情况，可以根据特定谐波次数，增加不同频率的广义积分器，消除谐波影响。

图4中k和ω的参数选择可以文献［12］。

2.3复信号电流控制

在电网故障工况下，获得电网基波正负序电压的幅值与相位信息之后，就可以根据系统给定复功率，计算出给定的参考电流复信号的幅值与相位。得到电流给定之后，需要经过电流控制器使电网反馈电流跟随给定，来实现逆变器输出一定复功率。图5中，给出的是电流控制框图，将并网电流作为反馈量，结合比例广义积分控制器（PGI），对电流复信号进行控制。控制器PGI的输出结果为电压的调制波信号。使用PGI控制器的电流反馈回路，与比例积分（PI）相比，图5可以实现对正弦信号的准确控制，没有频率偏移；相比于比例谐振控制器，都可以实现反馈电流准确跟踪给定电流信号，但是结构相对简单，计算量较小。

图5　电流控制器Fig.5 Current controller

基于PGI的电流控制器设计，可以依据传统电流环路的带宽和相角裕量的大小来确定控制器参数kp和ki的大小。相比于比例谐振控制器，PGI控制器具有相同的性能，但是一对正负序广义积分器，可以代替2个二阶广义积分器，大大简化了系统的控制。

根据图1的逆变器系统框图可以画出电流控制环路图，如图6所示。Gc（s）为PGI控制器，Gs（s）为电流采样信号的采样环节和滤波环节的传递函数，Vdc/Vm表示PWM调制环节。

图6　电流内环控制框图Fig.6 Current inner loop control structure

根据图6，可以写出电流控制环路的开环传递函数为

其中，采样滤波和延时环节为

根据系统参数，可以计算出电流环路带宽为500 Hz，相角裕量为50°时的控制器参数为kp= 10.67，ki=9。

3　实验验证

为了验证以上理论分析，采用实验室搭建的逆变器系统进行试验，实验中将广义积分器控制应用到同步信号检测结构和电流控制中。系统参数均按文章提供的参数进行计算。下面分别对同步信号检测和电流控制器的性能进行检测，同时考察功率控制动态性能。

3.1同步信号检测

实验如图7所示，实验模拟电网电压为单相跌落到77 V的不对称工况，在某一时刻频率由50 Hz变为55 Hz。从测得的实验波形图可以看出，频率跟随电压频率的变化，实现对电网频率的自适应。同时，同步信号检测结构提取出不对称电压的基波正负序分量，然后结合功率给定，就可以计算出电流参考值的大小，应用于电流控制。

图7　同步信号检测实验Fig.7 Experimental of synchronization signal detection

3.2电流控制和功率控制

为了验证不对称电网工况下复功率控制的性能，实验在a相跌落到77 V时的不对称电网工况下，进行功率跳变的控制。由于在不对称工况下，会存在功率波动，因此实验设计成有功功率无波动，无功功率存在2倍频波动。并网逆变器输出的初始的平均复功率为（2+j0）kV·A，某一时刻，改变给定复功率为（1.6+j1.2）kV·A，观察电网电压，并网电流和输出复功率的变化，如图8所示。

图8　功率控制实验Fig.8 Experimental of the power control

图8分别是给定功率跳变时的电压波形，电流波形、实际功率与给定功率变化图。其中，在功率跳变的过程中，电网电压没有变化，并网电流会有一个相位跳变。而真实的功率跳变会有一个超调量，无功功率含有2倍频纹波，但是其平均功率与功率给定一致。因此本文采用的广义积分器和复功率控制方法，可以实现并网逆变器的功率控制。

4　结论

本文采用复信号和复功率的概念进行分析并网逆变器的功率控制和运行机理，将三相网络变为二端口网络，便于分析。采用复系数控制器——广义积分控制器实现并网逆变器的同步信号检测、电流控制，与其它方法相比，更加简单，易于理解。

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修改稿日期：2016-04-25

Grid-tied Inverter Control Strategy Employed Generalized Integrator under Grid Fault

ZHU Lili1，2，WANG Guoning2，DU Xiong2，SUN Pengju2
（1. College of Electrical Engineering，Chongqing Institute of Engineering，Chongqing 402260，China；
2. College of Electrical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400030，China）

Abstract：Grid-tied inverter is required to output active power. But the output of given reactive power is also required in the grid fault. The reactive power output ability can improve the safe operation of the grid inverter.The concept of complex power control was introduced. The use of generalized integrator could detect voltage complex signal in synchronization signal extraction structure. This control method could obtain the amplitude and phase information of the grid voltage. According to the given complex power and grid voltage information，the amplitude and phase of reference current complex signal could be calculated. Generalized integrator was applied to current control，so that the feedback current track reference current. Eventually，the inverter could output the given complex power. Simulation and experiments show that the proposed generalized integrator can be applied to control grid-tied inverter power output.

Key words：complex power；complex signal；generalized integrator；synchronization signal detection；current control；grid fault

中图分类号：TM53

文献标识码：A

作者简介：朱黎丽（1981-），女，讲师，Email：cqzhulili@163.com

收稿日期：2015-09-03