电网电压不平衡条件下并网逆变器的改进控制

宋汶秦，祁霄鹏，杨维满，*，王兴贵

(1.国网甘肃省电力公司经济技术研究院，甘肃 兰州730000；2.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州730050)

0 引言

近年来，随着国家大力倡导发展新型清洁能源，分布式可再生能源发电得到了快速发展，并网逆变器作为电网与可再生能源发电设备之间的接口装置[1-2]，其运行性能的好坏直接影响了输出的电能质量。在电网电压三相不平衡情况下，由于并网同步信息的检测存在电压基波分量、谐波分量等扰动造成了延时，同时并网逆变器采用数字控制时存在控制延时，这些因素会影响并网控制和并网同步信息检测的实时性和准确性，进而影响了并网电流控制性能[3]。因此，研究一种提高电网电压不平衡条件下并网逆变器实时性的控制方法对于增强现代电力网络对分布式电源/网络的接纳能力，改善系统电能质量都具有重要的现实意义。

在电网电压不平衡情况下并网逆变器的控制要求主要包括以下两个方面：一是要有跟随性能良好的电流控制器；二是要有快速的电压正负序分离方法[4]。当并网逆变器采用数字控制时会产生控制延时，文献[5]提出的Smith预测补偿法根据当前和过去时刻的信息估算下一时刻的信息以达到消除延时的目的，但是它对系统模型的依耐性较强，存在一定的估计误差。文献[6]提出的增加零极点补偿延时的方法只能消除零阶保持器带来的半拍调制延时，而不能消除并网控制中产生的采样延时。文献[7-9]提出了预测占空比和零极点补偿控制相结合的方法，分别基于比例积分控制和比例谐振控制，它能够消除单相系统中的控制延时，但是能否适用于三相系统暂未提及。在基波电压正负序分离方法研究当中，目前主要采用的是基于滤波技术的正负序分离方法[10]。其一是采用低通滤波器[11-13]的方法消除二倍频功率波动来实现正序分量的提取，但是它会滤除信号的高频成分，同时在数字化实现的过程中它本身存在延时，从而影响了系统的快速性能；其二是采用陷波器[14]的方法来滤除二次谐波，由于陷波器不能滤除谐波引起的高频扰动，导致相位检测存在误差，影响了并网信息检测的实时性。

本文针对数字控制存在的延时问题和基波信息检测存在的检测延时问题，在电网电压不平衡情况下将延时补偿方法和基于前置滤波器分离电压正负序分量的方法结合起来去减小控制延时和检测延时，同时采用准比例谐振控制器(Quasi Proportional Resonant，QPR)对并网电流精确控制，从而达到综合提高整个并网系统实时性的目的。

1 电网电压三相不平衡时并网逆变器数学模型

图1所示为LCL型三相并网逆变器拓扑结构，它由三相桥式逆变单元、滤波器和电网三部分构成。其中，L1为逆变器侧电感，L2为网侧电感，C1、C2、C3为滤波电容，Udc为逆变器直流侧电压；iCa、iCb、iCc为滤波电容电流；i2a、i2b、i2c为三相并网电流；uga、ugb、ugc为三相电网电压。

三相三线制配电网中电压不平衡时忽略零序电压分量，则逆变器并网点电压表达式为[15]

(1)

式中，Up，Un，ω，θp，θn分别为正负序电网电压的幅值、频率和相位。

在两相静止坐标系下可以对三相逆变器进行有效控制，此时在αβ坐标系中进一步得到逆变器复数域数学模型为

(2)

式中,j=a、b、c，且

2 不平衡条件下传统控制存在的主要问题

若在dq旋转坐标系中直接进行电压外环电流内环的双闭环控制，则并网逆变器向电网侧注入的有功功率和无功功率分别为[16-17]

(3)

式中，

电网电压不平衡时并网逆变器传统控制策略对输出电流的dq轴分量分别控制，这种控制器存在严重的二倍频波动，即负序分量成分很大。部分学者采用双dq、PI电流调节器，虽然可以实现对电流正负序分量的分别控制，但是输出电流在暂态情况下的响应速度较慢，调节时间较长。另外，基波电压正负序分离的不同算法对控制作用的实时性也产生了较大影响。

目前，并网逆变器通常采用数字控制，数字控制中离散采样、PWM输出、并网同步信息检测等环节会对控制系统带来延时问题，这些因素会严重影响并网控制的动态特性。因此，本文综合考虑并网逆变器数字控制中存在的延时和基波电压正负序分量提取过程中产生的延时，采用一种基于预测占空比、零极点补偿控制以及正负序分量复数滤波器的综合改进方法来减小电网电压不平衡条件下数字控制对并网控制性能的影响，以实现不平衡条件下逆变器并网控制的综合改进。

3 并网逆变器改进控制方法

在电网电压不平衡时，为了实现有功功率恒定的控制目标，就需要对基波电压进行正负序分量提取，在这个过程中会产生检测延时。为了减小检测延时，引入前置滤波并采用高实时性的复矢量滤波器对基波电压正负序进行提取[18]。与传统的提取方法相比，该方法可以缩短正负序分量的提取时间，基波电压正负序分量检测示意图2所示。在电网电压发生不平衡时，为了获取准确的相位信息，采用复矢量滤波器提取电压正负序分量，其表达式为

(4)

当基波电压正负序分量分离出以后，即可利用瞬时功率理论计算电流参考值。目前根据不同的控制目标参考电流的计算方法有3种[19]：1)负序号电流为零，抑制电流谐波；2)有功功率恒定，抑制有功功率二倍频波动；3)无功功率恒定。本文采用的控制目标是保持有功功率恒定以抑制有功功率二倍频波动。

式(5)为参考电流的计算公式，此时若并网电流能够有效跟踪该电流参考值即可抑制并网有功功率的二次波动[20-21]。

(5)

(6)

电流调节器采用准比例谐振控制器，其传递函数为

(7)

式中，ω0为谐振频率，kp为比例增益系数，kr为谐振增益系数，ωc为截止频率。

根据双线性法对式(7)进行离散化处理[22]

(8)

其中，

(9)

式中，Ts为采样时间。

在离散化的数字控制系统中，零阶保持器传递函数为

(10)

系统延迟环节传递函数等效为

Gd(s)=e-sTs。

(11)

在数字控制中所产生的采样延时、PWM输出延时，可采用文献[7-9]所提出的基于占空比预测与零极点相结合的方法予以综合补偿，补偿环节离散域传递函数为

(12)

与传统两相静止坐标系下并网逆变器数字控制方式不同的是，这种方法在电流调节器和延时环节之间加入了延时补偿环节，它的补偿效果是既能消除电容电流内环控制带来的采样延时，又能消除零阶保持器带来的调制延时。最终，得到不平衡条件下逆变器并网改进控制方法如图3所示。T1、T2、T3分别表示电网电压采样开关、并网电流采样开关、电容电流采样开关；Hic为电容电流反馈系数。

4 仿真验证

为了验证所提控制方法的正确性，在仿真平台MATLAB/Simulink中搭建三相并网逆变器模型，仿真参数如表1所示。

表1 三相并网逆变器仿真参数Tab.1 Simulation parameters of three-phase grid-connected inverter

图4为电网电压在不平衡条件下的电网电压波形。图4(a)表示三相电网电压在0.065～0.16 s之间发生了单相电压降落。图4(b)为两相静止坐标系下电网电压分量，在0.065～0.16 s之间电压幅值不一致是由于电网在此时不对称故障导致的。

图5为电网电压不平衡条件下采用前置复数滤波器分离的基波电压正负序分量。图5(a)所示为基波正序电压波形，可以看出在0.065～0.16 s之间快速分离出了正序分量。图5(b)所示为基波负序分量波形，可以看出在0.065～0.16 s之间快速准确地分离出了负序分量。基波电压正负序分量的快速分离提高了并网基波电压检测的实时性。

图6为控制方法综合改进前后的有功功率和无功功率波形。图6(a)、(b)分别为采用延时补偿函数前后的功率对比波形，电网电压在0.065～0.16 s之间发生了单相电压降落。从图6(a)可以看出，延时补偿前有功功率在0.065 s之后波动了15 ms之后恢复稳定，无功功率在电网电压不平衡时间段内有二倍频波动；延时补偿后有功功率在0.065 s之后波动了5 ms之后恢复稳定。总体上来看实现了有功功率恒定的控制目标，同时延时补偿综合改进方法可以减小有功功率波动的响应时间，从而提高了并网控制的实时性。

图7为电网电压不平衡条件下控制方法综合改进前后三相并网电流波形。同样地，电网电压在0.065～0.16 s之间发生了单相电压降落，图7(a)所示为未加入延时补偿函数的三相并网电流波形，可以看出在不平衡电压出现时刻(0.065 s时)A相电流波动了10 ms左右后电流波形恢复稳定，并且在整个电压不平衡时段A相电流增大，这里也验证了有功功率恒定的控制目标的正确性。图7(b)为加入延时补偿函数的三相并网电流波形，从中可以看出在不平衡电压出现时刻(0.065 s时)A相电流波动了5 ms左右后电流波形恢复稳定。对比发现采用综合改进的控制方法可以减小电网电压不平衡条件下并网电流的调节时间，从而提高了整个并网系统的实时性。

5 结论

文章综合考虑了电网电压不平衡条件下并网同步信息检测、数字采样、PWM输出等延时问题，将预测占空比方法、零极点补偿控制以及正负序分量复数滤波法相结合后，既减小了并网逆变器数字控制过程中产生的控制延时，又能迅速提取基波电压正负序分量，减小并网同步信息获取时间，从而进一步提高了并网逆变器在电网电压不平衡条件下的实时性。所提方法对电网电压轻度失衡条件下三相逆变器并网控制的实时性具有一定参考价值。