適用于電網三相不平衡的光伏逆變器控制策略設計

馮磊

【摘 要】低壓配電網中三相不平衡情況比較普遍，本文對適用于此情況的光伏逆變器控制策略進行了設計。本文首先研究了不平衡電網下電壓正序分量的鎖相問題，設計了基于二階廣義積分器（Second Order Generalized Integrator，SOGI）的鎖相方法；其次，設計不平衡電網下不同控制目標的電流計算方法；最后，建立PSCAD/EMTDC仿真模型進行驗證。

【關鍵詞】光伏逆變器；不平衡電網；控制策略

中圖分類號： TM615；TM464 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）20-0015-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.20.005

【Abstract】The three-phase unbalance in the low-voltage distribution network is relatively common. This paper applies the PV inverter control strategy applicable to this situation. In this paper， the phase locking problem of voltage positive sequence components under unbalanced power grid is studied firstly. A phase-locked method based on Second Order Generalized Integrator（SOGI）is designed. Secondly， the currents of different control targets under unbalanced power grid are designed. Calculation method. Finally， the PSCAD/EMTDC simulation model is established for verification.

【Key words】PV Inverter； Three-phase Unbalanced Grid； Control strategy

0 引言

分布式光伏逆變器的應用趨勢是非常顯著的。而由于配電線路參數、用電負荷（尤其是單相負荷）的不平衡，低壓配電網的三相不平衡現象是比較普遍的，故此，分布式光伏逆變器必須考慮三相不平衡電網條件下的運行控制策略。

為保證電網不平衡時光伏逆變器的有效運行，須從不平衡鎖相環(huán)和控制策略兩方面入手。針對電壓正序分量的鎖相問題，文獻[1]依據對稱分量法原理及正負序分量之間的特定關系，設計了四分之一工頻周期時間延遲法。由于引入了延遲，因此該方法快速性的提升空間受限。文獻[2]提出的基于雙同步坐標系解耦的軟件鎖相環(huán)。該方法具有較高的穩(wěn)態(tài)精度，但是其依賴于相位反饋，因此當電網相位突變時，其過渡過程中存在超調較大、恢復時間較長等問題。文獻[3]在傳統(tǒng)鎖相環(huán)之前加裝低通濾波器，但如果這樣，會導致相角偏移、響應變慢等缺陷。文獻[4]采用自適應觀測器來進行電網相位鎖定，但是該算法程序計算量較大，比較復雜。針對電網不平衡下的光伏逆變器控制問題，文獻[5-6]基于靜止坐標系中光伏逆變器的數學模型，設計了基于比例諧振控制器（proportional resonant，PR）的交流無靜差控制系統(tǒng)，但由于PR控制器的頻率適應性較差，當電網頻率發(fā)生偏移時，并不能取得滿意的控制效果。

本文在不平衡電網下的鎖相控制方面，擬提出基于SOGI的鎖相方案。在控制策略方面，則打算利用瞬時功率原理分析不平衡電網下光伏逆變器的功率流關系，并設計不同控制目標下的電流指令計算方法。

1 基于SOGI的鎖相環(huán)

據式可以計算得到抑制并網有功功率波動、抑制并網無功功率波動、抑制并網負序電流三個不同控制目標時的電流指令。本文以抑制網側負序電流為例，所設計的正負序雙同步坐標系控制系統(tǒng)框圖如下：

3 仿真與驗證

為驗證本文所設計控制策略的正確性，利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC搭建出三電平光伏逆變器的模型。仿真參數說明如下：

基于此仿真系統(tǒng)，進行了常規(guī)控制策略和本文所設計策略的對比仿真。仿真時，電網A相在0.2秒發(fā)生接地短路，電壓降為原來的50%，在0.25秒時故障切除，電壓恢復正常。三相電壓的變化波形如圖 5：

圖6為常規(guī)控制策略下并網電流波形和A相并網電流的THD分析：

分析圖 6可知，在故障期間光伏逆變器的輸出電流三相不對稱，且電流的THD大增，已遠遠超出光伏并網規(guī)定。因此，當電網電壓不平衡時，I型策略控制下的光伏逆變器的運行受到了嚴重影響，需要進行策略改進。

圖7為本文所設計策略控制下并網電流波形和A相并網電流的THD分析：

從圖7可以看出，A相電壓跌落后，逆變器的并網電流仍舊能保持良好的對稱性；在雙同步坐標系的控制作用下，并網電流的THD仍保持在3%左右，且當故障切除后，光伏逆變器能很快地恢復到原來的運行狀態(tài)。

因此，本文所設計策略能很好地應對電網電壓不對稱的情況，且系統(tǒng)的電流控制快速性較好，充分證明了本文方案的正確性。

4 結論

本文針對常規(guī)光伏逆變器在不平衡電網情況下的正常運行受影響問題，提出了改進的控制策略。

（1）設計了基于SOGI的不平衡鎖相環(huán)，可快速且準確的鎖定電網相位；

（2）設計了不同控制目標下的電流指令計算方法，可應對不平衡電網下的光伏逆變器的瞬時功率控制需求；

（3）設計了PSCAD/EMTDC仿真模型，驗證本文方法的正確性。

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