王春蕾，張代潤

（四川大學 電氣信息學院，四川 成都 610065）

隨著全球范圍內(nèi)的能源短缺和環(huán)境污染問題的日益凸顯，清潔、可再生能源的利用引起了世界廣泛關(guān)注，太陽能、風能等能源以其不竭性和環(huán)保優(yōu)勢成為當今新能源利用研究的熱點[1-2]，而并網(wǎng)逆變器作為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中連接電網(wǎng)、傳遞能量的核心裝置，其并網(wǎng)控制成為研究的關(guān)鍵[3]。

傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的逆變輸出電壓直接被箝位到電網(wǎng)電壓，而電流控制用直流環(huán)節(jié)的電壓反饋來控制其幅值，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定地并網(wǎng)運行。但是當電網(wǎng)電壓不平衡時，逆變器輸出電流就會產(chǎn)生負序分量。本方案首先提取電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電壓的負序分量[4]，然后通過控制兩者相等以消減甚至消除并網(wǎng)電流的負序分量，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定安全地運行。同時由于文中的直流側(cè)電壓環(huán)的反饋控制和負序電壓的反饋控制又是相互獨立，因此也有著較好的抗干擾性能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一般的新能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)主要有單級式、兩級式和多級式，由于兩級式前面的MPPT環(huán)節(jié)和后級并網(wǎng)逆變器可以獨立控制，從而成為較多使用的拓撲[5]。本文對前級的最大功率跟蹤控制不作介紹，主要針對后級的并網(wǎng)逆變器控制做分析，圖1所示為一個三相三線制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能圖。從圖中可以看出，其中有兩個主參考控制框架，一個為直流環(huán)處的電壓反饋控制，另一個參考控制框架則由電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電壓負序分量的相關(guān)控制來實現(xiàn)逆變器的輸出電流負序分量的消減，然后通過兩個參考框架得到的電流值分量進行疊加，作為參考電流輸入電流控制模塊，以得到控制逆變器的開關(guān)信號使逆變器工作。從圖中可以看出，需要檢測的參數(shù)有三相電網(wǎng)電壓ea、eb、ec，逆變器輸出電壓va、vb、vc，逆變器輸出電流 ia、ib、ic，直流側(cè)電壓Vdc。

2 系統(tǒng)的控制實現(xiàn)

2.1 負序電壓控制的基本原理

由于系統(tǒng)采用三相三線制結(jié)構(gòu)，當電網(wǎng)電壓不平衡時，電壓就可以被分解為正序、負序分量。圖2給出了逆變器輸出電壓的正序、負序的等效電路圖，其中[ea+、eb+、ec+]和[ea-eb-ec-]分別為電網(wǎng)電壓的正序、負序分量,[ia+ib+ic+]和[ia-ib-ic-]分別為并網(wǎng)電流的正序、負序分量。傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)中會令[va-vb-vc-]=0，僅僅包括正序分量。由于濾波電感L和電阻R的存在，當電網(wǎng)電壓不平衡時，負序電流[ia-ib-ic-]比較大。從圖2中可以看出，當[va-vb-vc-]=[ea-eb-ec-]時，負序電流就被消減為0。

從控制框圖中可以看出，負序電壓控制環(huán)首先是通過一些列矩陣變換得到電網(wǎng)電壓和逆變器電壓在dq坐標系下的各個負序分量，把電網(wǎng)電壓在dq坐標系下地負序量作為參考信號，讓逆變器輸出電壓的負序分量跟隨其變化，即分別通過其對應作比較后經(jīng)過PI控制器得到負序的參考信號，然后經(jīng)過 dq/αβ變換得到，與直流電壓反饋得到的相疊加然后得到在αβ坐標系下的電流參考信號，最后經(jīng)過變換得到三相參考電流信號送入電流控制模塊以得到開關(guān)信號去控制逆變器。

2.2 負序分量的獲取

從系統(tǒng)框圖可以看出，本控制系統(tǒng)的關(guān)鍵之一在于逆變器輸出電壓和電網(wǎng)電壓的負序分量。根據(jù)對稱分量法可知,三相電壓矢量vabc=[vavbvc]T可分解為正序、負序和零序分量,由于本文討論的三相三系制系統(tǒng),所以沒有零序分量。其中正序分量為：

聯(lián)立式(1)、式(2)可得到α β坐標系電壓正序分量：

αβ坐標系電壓負序分量為：

式中，k為旋轉(zhuǎn)因子，表示相移 90°。此處采取 H(s)=，其Bode圖如圖3所示。從圖中可以看出在正序和負序頻率50 Hz附近相頻特性位-90°，而對應的幅頻特性為0 dB，即相對幅值為 1，可見滿足旋轉(zhuǎn)因子k的要求。同理電網(wǎng)電壓負序分量的提取采用相同的方法，這里不再贅述。

2.3 電流跟蹤控制

常用的電流控制方法主要有電流滯環(huán)控制和固定開關(guān)頻率控制。滯環(huán)電流跟蹤控制方法硬件電路十分簡單，屬于實時控制方式，電流響應很快，不需要載波，輸出電壓中不含有特定頻率的諧波分量[6]?；谄渚哂休^好動態(tài)性能的考慮，本文采用電流滯環(huán)跟蹤控制的方式，其原理框圖如圖4所示。

圖為A相電流滯環(huán)跟蹤控制框圖，其中的一階慣性環(huán)節(jié)可以加快控制的響應速度，t為慣性時間常數(shù)?？梢钥闯鲞@里的實際A相逆變器電流ia和求得的A相指令電流ia*進行比較，形成電流閉環(huán)實時跟蹤控制，因此補償電流能夠?qū)崟r精確地跟蹤補償參考電流，從而補償電網(wǎng)電流，使其正弦化。

3 系統(tǒng)仿真與結(jié)果

為了驗證系統(tǒng)的可行性,利用Matlab/Simulink對其進行了建模仿真，仿真模型根據(jù)原理框圖1所建，主要參數(shù)有：逆變器輸出濾波電感L=2 mH，緩沖電阻R=0.1 Ω，直流母線側(cè)電容 C2=3 000 μF，基準電壓 Udc*=600 V，三相電網(wǎng)線電壓幅值 ea=330 V、eb=330 V、ec=280 V，頻率為50 Hz。圖5為檢測到的各處仿真波形圖。

本文對可再生能源發(fā)電在電網(wǎng)電壓不平衡條件下的并網(wǎng)逆變器控制進行了探討，在傳統(tǒng)的直流側(cè)電壓反饋環(huán)的基礎上增加了電網(wǎng)電壓負序分量作為參考量以及逆變器輸出電壓負序分量作為跟蹤量的跟蹤反饋控制環(huán)，以達到減弱甚至消除并網(wǎng)電流負序分量的效果，以利于并網(wǎng)逆變器更好地運行。同時這兩個控制環(huán)節(jié)相互獨立，不存在干擾，這也增強了系統(tǒng)的魯棒性。仿真結(jié)果表明，在電網(wǎng)電壓不平衡的條件下，逆變器輸出電壓負序分量較好地跟蹤了電網(wǎng)電壓的負序分量，使并網(wǎng)電流有較好的效果，達到了控制目的，驗證了該方法的可行性。

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