非理想电网下多电平并网逆变器控制仿真

邢阳阳，马冬梅，党晓圆，关正伟

(重庆邮电大学移通学院，重庆401520)

1 引言

跟随社会经济能源可持续发展步伐，电力系统将“绿色、低碳、环保”作为发展目标，其根本原因在于传统电网采用石油、煤炭等方式作为电力能源供应方式[1]，石油、煤炭等具有不可再生性，且是环境污染的主要元凶，因此，以风能、水能、太阳能等作为电力能源供应的新方式，是未来电力能源发展的重要方向之一[2]。风能、水能、太阳能等具有利用方便，污染低或零污染等特点，利用光伏并网发电系统可将风能、水能、太阳能等转化为电力能源[3]，其中多电平并网逆变器是光伏并网发电系统的核心组成之一，其在实现并网逆变器的基础功能之上，可对电能实施调节和管理[4]，且具有安装便捷，调节电能效果卓越等优点。光伏并网发电系统在实际使用中，会出现电网电压上下浮动、电压相位变化、谐波干扰等现象[5]，此类现象称为非理想电网。在非理想电网情况下，如何提升并网逆变器的调节管理性能是各国研究热点之一，叶吉亮等人提出电网电压不平衡及谐波状态下的并网逆变器控制策略[6]，该方法利用QPR控制策略对并网电流实施无静差控制，在控制电压相位变化时，精确度较差，影响并网逆变器控制效果。刘一琦等人提出模块化多电平光伏并网逆变器的不对称容错控制策略[7]，该方法使用模块化多电平换流器，该换流器控制谐波能力较低。Matlab仿真软件使用范围非常广泛，可实现处理信号、通讯、测量、建立模型等功能[8]。该软件可从繁琐的数学运算公式中准确计算数值和符号，通过图像处理实现运算结果，并进行可视化编程。Matlab仿真软件便于用户操作和学习，且其具有信号处理工具箱、通信工具箱等应用[9]，因此本文使用Matlab仿真软件对非理想电网下多电平并网逆变器控制展开仿真。

2 非理想电网下多电平并网逆变器控制仿真

2.1 3L-ANPC光伏并网逆变器拓扑结构

3L-ANPC光伏并网逆变器主要由光伏组件、滤波器、电网以及ANPC逆变器组成，其具体拓扑结构如图1所示。

图1 3L-ANPC光伏并网逆变器拓扑结构

图1中，a、b、c三相由x表示，将6个开关设置在3L-ANPC光伏并网逆变器三相桥臂上，分别由Y×1、Y×2、Y×3、Y×4、Y×5、Y×6表示，续流二极管以反并联的方式与6个开关连相连，令直流电压为Udc时，三相桥壁输出的三种电平分别为Udc/2、0、-Udc/2，使用p、o、n分别表示Udc/2、0、-Udc/2三种状态。电平状态为o时，可为电流的输入与输出所对应的状态增加一条电流通道[10]。开关控制3L-ANPC光伏并网逆变器的电流输入与输出，电平状态为o时，上桥臂开关Y×2、Y×5或下桥臂开关Y×3、Y×6均可控制电流的输入和输出，每个开关之间的损耗平衡可通过o电平冗余状态调节，所以ANPC逆变器三相拥有6个开关状态，表1为ANPC逆变器三相的6个开关状态。

表1 ANPC逆变器三相的6个开关状态

2.2 非理想电网下3L-ANPC光伏并网逆变器数学模型

大量谐波存在于分布式电网内，电网短路会出现不对称形式，此时分布式电网电压和并网电流内同时存在正序分量、负序分量、谐波分量[11]。

非理想时三相电网电压计算公式如下

(1)

式中，三相电网电压分别由uga、ugb、ugc表示，电压基波正序分量幅值、电压负序分量幅值、电压各次谐波幅值、基波频率分别由Gp、GN、Gh、ω表示，电网电压正序分量由φp表示，负序分量由φN表示，谐波分量的初始相位角由φh表示，6n±1表示分布式电网电压谐波分量次数，其中负序次数和正序次数分别是5次和7次。为避免零需电压分量影响，选择三相三线制作为接线方式，利用Clark对式(1)实施变换后，则有

(2)

由式(2)可知，非理想状态下的三相电网电压，其两相静止坐标系内正序分量的角速度旋转和负序分量的角速度旋转分别为+ω、-ω，谐波分量以hω为角速度旋转。

此刻，正序分量、负序分量和谐波分量同时存在于电网内，由以下公式表示

(3)

式中，静止坐标系内电流的基波正序分量由Ip表示，负序分量由IN表示，谐波分量由Ih表示，电压电流在三相和两相静止坐标系内无必要对正负序进行分解[12]，则电流控制框图与理想时电流控制框图相同。

利用Park对式(2)实施变换后，则有

(4)

其中θ表示锁相角，则式(4)可变更为

(5)

式中，逆变输出电压由ud、uq表示，将式(4)的变量变换到正dq旋转坐标系内，由式(5)可知，发现基波负序分量和谐波分量分别表现为二倍频交流分量和h-1次谐波分量。电流控制若在dq坐标系内实施，需使用若干电流环路控制，谐波分量坐标系是多频率旋转坐标系，设计难度较高，当电流控制在不平衡状态时，直流量是dq坐标系内控制量，所以需对电压电流实施正序分解，则有

(6)

式中，M1、M2、Cf分别表示逆变器侧电感、网侧电感、滤波电容。逆变器输出电压由ucd、ucq表示，通过以上公式可知，选择αβ坐标系内数学模型对电流实施控制，其原因在于不平衡状态下，dq坐标系内需构建正负控制环路，存在谐波时该环路复杂程度较高。

2.3 非理想电网下多电平并网逆变器控制实现

2.3.1 分离正负序电压电流

为实现非理想电网下多电平并网逆变器的控制，需对正负序电压电流实施精准分离，以谐波分量忽略不计为前提，通过对称分量法计算三相正序电压、负序电压则有

(7)

(8)

同理可得正序电流、负序电流。

2.3.2 定向正负序电压电流

设坐标系内轴的电流和电压数值为0，通过式(7)和(8)计算出三相正序与负序电压电流后，利用锁相环对正负序电压展开定向，利用派克变换可实现三相电流电压锁相，三相锁环原理如图2所示。

图2 三相锁环原理

设A、ωi、θi分别为输入锁相环电网正序电压幅值、角频率、相的初相角，利用派克变换可计算出

(9)

式中，当ωi=ω0、θi=φ0时表示相位锁定完成，此时Uq=0，若未完成相位锁定，则Uq、Ud是交流量。

相位锁定后电网电压的正序电压和负序电压关系向量如图3所示。

图3 正序电压和负序电压关系向量图

通过图3可知，以正序电压锁相环获取的角度相反数和正负序电压的初相角的差值取代锁相环获得的角度即可定向负序电压。

3 实验分析

为验证本文方法实际控制效果，使用Matlab仿真软件构建3L-ANPC光伏并网逆变器仿真模型，逆变器仿真模型参数如表2所示，线路参数如表3所示。

表2 逆变器仿真模型参数

表3 线路参数

交流侧a相电压电流波受谐波影响导致其输出波形不稳定，使用本文方法控制交流侧a相电压电流，结果如图4所示。

图4 交流侧a相电压电流波形图

分析图4可知，使用本文方法控制交流侧a相电压电流后，电流数值在区间-1～1A之间，电流曲线波形质量较高，且电压值在-50-50V范围内维持稳定变化，可见利用本文方法控制多电平并网逆变器交流侧a相电压电流效果较好，受谐波影响小，抑制谐波能力强。

为验证本文方法在电网电压出现较大波动时的并网电压控制效果，以迅速增加和降低电网电压方式展开仿真，将电网电压波动设置为在时间为0.3s时迅速下降30%，时间为0.5s时恢复设定数值，时间为0.7s时迅速升高20%。实验结果如图5所示。

图5 电网电压波动时控制效果

分析图5可知，在电网电压出现迅速下降和迅速上升等较大波动时，本文方法可有效控制并网电压值始终在-50V～50V之间波动，且电压曲线呈现波浪状起伏的均匀波动，表示本文方法控制下的电网电压输出质量较高，实验结果表明，本文方法在电压出现波动时所受影响较小，可维持电压稳定输出。

为验证本文方法锁相和定向能力，取正序电压和负序电压在dq轴的分量展开实验，由图6表示。

图6 正序电压和负序电压在dq轴的分量

分析图6可知，正序电压和负序电压在q轴的分量波动较小，分量为零的状态较多；正序电压在d轴分量波动曲线呈现直线-曲折下降-直线状态，负序电压在d轴分量波动曲线呈现波浪状上升后保持直线状态，正序电压和负序电压在d轴的分量幅值相同，可见本文方法锁相和定向较精准。

在非理想电网情况下，分别使用本文方法与文献[6]方法、文献[7]方法对非理想电网的多电平并网逆变器有功功率和无功功率展开控制，结果如图7所示，其中文献[6]方法为电网电压不平衡及谐波状态下的并网逆变器控制策略，文献[7]方法为模块化多电平光伏并网逆变器的不对称容错控制策略。

图7 有功功率和无功功率控制效果对比

分析图7可知，在有功功率控制情况下，文献[6]方法和文献[7]方法的控制曲线随着时间的增加呈现波浪式上升趋势，本文方法控制曲线随着时间的增加，有功功率数值保持在-2.5MW～-0.31MW之间；在无功功率控制情况下，本文方法控制下的无功功率波动较小，功率数值在0.2MW～-0.1MW之间波动，另外两种对比方法控制下的功率数值在0.4MW～-0.2MW范围内波动，因此本文方法无功功率控制效果优于文献[6]方法和文献[7]方法。综上可知，在非理想电网情况下，本文方法可有效实现多电平并网逆变器的有功功率和无功功率控制，且可显著抑制有功功率和无功功率波动，控制稳定性好。

4 结论

本文利用由光伏组件、滤波器、电网以及ANPC逆变器组成的3L-ANPC光伏并网逆变器，通过在非理想电网下构建3L-ANPC光伏并网逆变器属性模型，计算正负序电流电压并对其实施分离和定向，利用Matlab仿真软件构建3L-ANPC光伏并网逆变器仿真模型，对非理想电下多电平并网逆变器控制展开仿真。实验结果表明：控制交流侧a相电压电流效果好，抑制谐波能力强；在电网电压出现较大波动时，可有效控制并网电压数值保持在-50V～50V之间，输出电网电压质量高；正序电压和负序电压在q轴内的分量为0状态较多，本文方法锁相与定向精确；有功功率数值始终保持在-2.5～-0.31MW之间，在无功功率控制情况下，可将无功功率波动数值控制在0.2MW～-0.1MW之间，控制效果稳定。

本文虽然实现了非理想电下多电平并网逆变器控制，且效果较好，但受实验条件限制，未分析弱电网、电网阻抗等多种因素下多电平并网逆变器控制效果，因此本文方法具有片面性，需针对多种情况对非理想电下多电平并网逆变器控制效果展开进一步研究。