微电网不平衡电压的并网逆变器控制策略

林小峰，李福培，刘斌

（广西大学电气工程学院，广西南宁530004）

装备应用技术

微电网不平衡电压的并网逆变器控制策略

林小峰，李福培，刘斌

（广西大学电气工程学院，广西南宁530004）

由于微电网中有大量的单相负载运行，其三相电压容易出现不平衡。在微电网电压不平衡下，并网逆变器传统的锁相环（PLL）控制输出电流产生大量谐波，为减少输出电流谐波，提出一种基于全通滤波器的无锁相环直接功率控制策略。在微电网电压不平衡条件下对所提出的制策略进行验证，实验结果证明了该控制算法的有效性。

并网逆变器；电压不平衡；直接功率控制；无锁相环

微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、变流器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电系统[1]。随着化石燃料的减少，新能源引起人们广泛关注，微电网技术也得到了快速发展。

逆变器是微电网的一个重要的组成部分，当逆变器在微电网的支路中工作时，对逆变器并网的基本要求是输出与微电网电压同频、同相[2]的交流电，锁相环技术是实现同步的关键，基于同步坐标系的软件锁相环（single synchronous reference frame for software phase locked loop，SSRF SPLL）是目前应用最为广泛的锁相环技术。微电网电压不平衡时，电压负序分量会在dq坐标系下产生二倍频的交流分量，导致PLL计算锁相角的过程会产生误差，影响逆变器的控制精度，致使逆变器输出三相电流不平衡，并伴随有大量谐波，此时电能质量已不能满足要求。为了解决逆变器输出电流含量谐波大的问题，必须研究微电网不平衡电压下并网逆变器的控制策略。

传统的提取电网电压正序分量的方法有：文献[3]提出的解耦的双同步坐标系锁相环法（Decoupled Double Synchronous Reference Frame PLL，DDSRFPLL），此方法能有效提取微电网电压正序分量，但是计算大，有2个旋转坐标系，4个低通滤波器，结构复杂。文献[4]提出的T/4周期延时法，此方法计算量小，稳定性高，但是前提是T/4周期内电网的故障类型相同，且需要较大的存储空间存储T/4周期的数据。文献[5]提出的基于全通滤器改进的三相dq锁相技术，该方法不能消除电网谐波对PLL的影响。上述方法都用到了锁相环结构，输出电流都会产生不同程度的谐波。

直接功率控制[6]具有功率因数高，算法和系统结构简单，动态性能好的优点。本文采用无锁相环直接功率控制策略[7]，通过全通滤波器对同步旋转坐标系下的电压量进行90°相移的功能提取微电网电压基波正序分量。再结合预设旋转频率法计算得到有功、无功电流参考值，省去了PLL，数字实现简单，实时性好，能很好解决逆变器有锁相环控制导致的输出电流谐波含量大的问题。

1 微电网不平衡电压对锁相环产生的影响

为了使并网逆变器的输出电流和微电网电压的频率相位保持一致，常使用PLL技术获取微电网电压的频率相位信息。PLL能跟踪微电网电压的基波正序分量，能有效地适用于微电网电压平衡时频率、相位及幅值的检测。如图1所示，采样网侧电压ua，ub，uc转化成dq两相旋转坐标系下的d轴和q轴分量，将q轴分量与给定值=0进行比较，将比较值送往PI调节器进行调节，输出值加上初始工频角频率ω，再经过积分环节得到锁相输出相位θ*，此时PLL的输出相位θ*锁定微电网电压相位θ.

图1 SSRF SPLL原理

微电网电压不平衡量表示为：

式中，Um为微电网电压幅值，η、λ、ζ为常量。

将微电网电压ua，ub，uc变换到dq同步旋转坐标系下，取d轴分量得：

SSRF SPLL将uq通过PI调节器调节到0，有：

由式（2）、（3）解出锁相角θ*的正余弦为式（4）。

将锁相角θ*的正余弦信号使用到dq转abc的变换矩阵中。不平衡时，假定有功电流参考值=Id，无功电流参考值=0，反馈值能够跟踪给定值，则并网逆变器输出的电流为式（5）.

从式（5）可以看出，微电网不平衡时锁相角参与坐标变换，会使逆变器输出进网电流含有大量谐波。而采取无锁相环的方式可以很好地解决微电网电压不平衡造成电流谐波含量大的问题。

2 无锁相环直接功率控制

直接功率控制能直接对逆变器的有功功率和无功功率进行控制，无需解耦环节，具有高功率因数，系统结构简单的优点。在微电网电压不平衡条件下，采用无PLL直接功率控制解决PLL控制造成逆变器输出电流谐波含量大的问题。给定一个旋转频率与电网频率相同的角频率参与坐标变换，由于给定旋转频率相角θ1=ωt+ω1的初相角是随机的，因此给定旋转频率的相角和电网相角不一定重合，所以通过给定的相角变换到dq坐标系下的分量不再对应有功电流和无功电流，电流参考和只能由dq坐标系下的电压基波正序分量、和给定有功功率P*、无功功率Q*计算得到。

全通滤波器能对角频率和微电网角频率相等的交流分量进行90°相移，再通过简单的数学运算即可得到dq坐标系下电压基波正序分量。将正常的三相电压分解成正序、负序和零序分量：

式中：上标+、-分别表示正序和负量分量；正序电压和负序电压相角分别为θ+=ωt+φ+、θ-=ωt +φ-；零序分量为uz=（ua+ub+uc）/3.

三相电压由abc坐标系变换到dq0坐标系下时，0轴分量为0，略去不计。所以在dq0坐标系下的电压udq为式（9）.

因为变换矩阵角频率ω1与电网电压的基波频率ω相等，式（9）变为：

不平衡电压经过给定角频率ω1的Park变换后，基波正序分量是直流量，基波负序分量是含有2倍频的交流分量，此负序交流分量由式（7）引入电流基准计算中，使PI调节器无法做到无静差调节。为此引入全通滤波器滤去2倍频的负序交流分量。

全通滤波器对直流量没有影响，对基波信号（基波频率为2ω）实现90°的相移：

ud′、uq′由ud、uq、ud′和uq′在dq坐标系下矢量合成，如图2、图3所示。

图2 合成的向量图

图3 基于全通滤波器的无PLL直接功率控制框图

3 实验结果

在Simulink仿真中，把微电网A相电压降低10%，进行传统PLL控制和基于全通滤波器的无PLL直接功率控制的仿真实验。结果如图4、图5.

图4 传统PLL控制仿真波形

图5 基于全通滤波器的无PLL直接功率控制仿真波形

由图4得，在微电网电压不平衡条件下，并网逆变器通过传统PLL控制，变换到dq坐标系下的电压分量是脉动直流量；由图5得，通过基于全通滤波器的无PLL直接功率控制变换dq坐标系下的电压分量是稳定的直流量，仿真结果符合理论分析。并网逆变器在传统PLL控制下，进网电流谐波含量为5.14%；在基于全通滤波器的无PLL直接功率控制下，进网电流谐波含量为0.32%.

利用可编程交流电源Chroma61512模拟不平衡的微电网电压，将微电网A相电压降低10%.把三相光伏逆变器、可编程交流电源Chroma61512、负载并联在一起进行不平衡实验，实物波形如图6、图7.

图6 传统PLL控制实物波形

图7 基于全通滤波器的无PLL直接功率控制实物波形

由图4的仿真结果和图6的实验结果可知传统PLL控制的输出电流发生畸变，谐波含量高；由图5的仿真结果和图7的实验结果可知基于全通滤波器的无PLL直接功率控制的输出电流谐波含量低，正弦度高。可见，在微电网电压不平衡条件下，并网逆变器在基于全通滤波器的无PLL直接功率控制的进网电流谐波含量比传统PLL控制低。

4 结论

为了降低微电网不平衡电压条件下的并网逆变器输出电流的谐波含量，本文提出了基于全通滤波器的无PLL直接功率控制策略。在直接功率控制中通过全通滤波器提取微电网电压基波正序分量，结构简单，计算量小。微电网不平衡电压下的仿真和实验结果表明，基于全通滤波器的无PLL直接功率控制比传统PLL控制的输出进网电流谐波含量低。

[1]杨新法，苏剑，吕志鹏，等.微电网技术综述[J].中国电机工程学报，2014（1）：57-70.

[2]孙文山.基于SVPWM的三相光伏并网逆变器的研究与设计[D].天津：天津大学，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]王万宝，张犁，胡海兵，等.三相电压不平衡条件下改进的锁相技术[J].电力电子技术，2013，47（7）：17-19.

[6]王久和，李华德.一种新的电压型PWM整流器直接功率控制策略[J].中国电机工程学报，2005，25（16）：47-52.

[7]雷芸，肖岚，郑昕昕.不平衡电网下无锁相环三相并网逆变器控制策略[J].中国电机工程学报，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

作者介绍：林小峰（1955-），男，广西陆川人，教授，博士生导师，研究领域为新能源换转与控制，微电网控制与运行；李福培（1990-），男，广西桂平人，研究生，研究领域为新能源换转与控制；刘斌（1982-），男，湖南会同人，博士，讲师，研究方向为电力电子与变流技术，新能源换转与控制。