宋汶秦，祁霄鵬，楊維滿，*，王興貴

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅 蘭州730000；2.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050)

0 引言

近年來，隨著國家大力倡導(dǎo)發(fā)展新型清潔能源，分布式可再生能源發(fā)電得到了快速發(fā)展，并網(wǎng)逆變器作為電網(wǎng)與可再生能源發(fā)電設(shè)備之間的接口裝置[1-2]，其運(yùn)行性能的好壞直接影響了輸出的電能質(zhì)量。在電網(wǎng)電壓三相不平衡情況下，由于并網(wǎng)同步信息的檢測存在電壓基波分量、諧波分量等擾動(dòng)造成了延時(shí)，同時(shí)并網(wǎng)逆變器采用數(shù)字控制時(shí)存在控制延時(shí)，這些因素會(huì)影響并網(wǎng)控制和并網(wǎng)同步信息檢測的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響了并網(wǎng)電流控制性能[3]。因此，研究一種提高電網(wǎng)電壓不平衡條件下并網(wǎng)逆變器實(shí)時(shí)性的控制方法對于增強(qiáng)現(xiàn)代電力網(wǎng)絡(luò)對分布式電源/網(wǎng)絡(luò)的接納能力，改善系統(tǒng)電能質(zhì)量都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在電網(wǎng)電壓不平衡情況下并網(wǎng)逆變器的控制要求主要包括以下兩個(gè)方面：一是要有跟隨性能良好的電流控制器；二是要有快速的電壓正負(fù)序分離方法[4]。當(dāng)并網(wǎng)逆變器采用數(shù)字控制時(shí)會(huì)產(chǎn)生控制延時(shí)，文獻(xiàn)[5]提出的Smith預(yù)測補(bǔ)償法根據(jù)當(dāng)前和過去時(shí)刻的信息估算下一時(shí)刻的信息以達(dá)到消除延時(shí)的目的，但是它對系統(tǒng)模型的依耐性較強(qiáng)，存在一定的估計(jì)誤差。文獻(xiàn)[6]提出的增加零極點(diǎn)補(bǔ)償延時(shí)的方法只能消除零階保持器帶來的半拍調(diào)制延時(shí)，而不能消除并網(wǎng)控制中產(chǎn)生的采樣延時(shí)。文獻(xiàn)[7-9]提出了預(yù)測占空比和零極點(diǎn)補(bǔ)償控制相結(jié)合的方法，分別基于比例積分控制和比例諧振控制，它能夠消除單相系統(tǒng)中的控制延時(shí)，但是能否適用于三相系統(tǒng)暫未提及。在基波電壓正負(fù)序分離方法研究當(dāng)中，目前主要采用的是基于濾波技術(shù)的正負(fù)序分離方法[10]。其一是采用低通濾波器[11-13]的方法消除二倍頻功率波動(dòng)來實(shí)現(xiàn)正序分量的提取，但是它會(huì)濾除信號的高頻成分，同時(shí)在數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的過程中它本身存在延時(shí)，從而影響了系統(tǒng)的快速性能；其二是采用陷波器[14]的方法來濾除二次諧波，由于陷波器不能濾除諧波引起的高頻擾動(dòng)，導(dǎo)致相位檢測存在誤差，影響了并網(wǎng)信息檢測的實(shí)時(shí)性。

本文針對數(shù)字控制存在的延時(shí)問題和基波信息檢測存在的檢測延時(shí)問題，在電網(wǎng)電壓不平衡情況下將延時(shí)補(bǔ)償方法和基于前置濾波器分離電壓正負(fù)序分量的方法結(jié)合起來去減小控制延時(shí)和檢測延時(shí)，同時(shí)采用準(zhǔn)比例諧振控制器(Quasi Proportional Resonant，QPR)對并網(wǎng)電流精確控制，從而達(dá)到綜合提高整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的目的。

1 電網(wǎng)電壓三相不平衡時(shí)并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型

圖1所示為LCL型三相并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它由三相橋式逆變單元、濾波器和電網(wǎng)三部分構(gòu)成。其中，L1為逆變器側(cè)電感，L2為網(wǎng)側(cè)電感，C1、C2、C3為濾波電容，Udc為逆變器直流側(cè)電壓；iCa、iCb、iCc為濾波電容電流；i2a、i2b、i2c為三相并網(wǎng)電流；uga、ugb、ugc為三相電網(wǎng)電壓。

三相三線制配電網(wǎng)中電壓不平衡時(shí)忽略零序電壓分量，則逆變器并網(wǎng)點(diǎn)電壓表達(dá)式為[15]

(1)

式中，Up，Un，ω，θp，θn分別為正負(fù)序電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位。

在兩相靜止坐標(biāo)系下可以對三相逆變器進(jìn)行有效控制，此時(shí)在αβ坐標(biāo)系中進(jìn)一步得到逆變器復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型為

(2)

式中,j=a、b、c，且

2 不平衡條件下傳統(tǒng)控制存在的主要問題

若在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中直接進(jìn)行電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，則并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)側(cè)注入的有功功率和無功功率分別為[16-17]

(3)

式中，

電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)并網(wǎng)逆變器傳統(tǒng)控制策略對輸出電流的dq軸分量分別控制，這種控制器存在嚴(yán)重的二倍頻波動(dòng)，即負(fù)序分量成分很大。部分學(xué)者采用雙dq、PI電流調(diào)節(jié)器，雖然可以實(shí)現(xiàn)對電流正負(fù)序分量的分別控制，但是輸出電流在暫態(tài)情況下的響應(yīng)速度較慢，調(diào)節(jié)時(shí)間較長。另外，基波電壓正負(fù)序分離的不同算法對控制作用的實(shí)時(shí)性也產(chǎn)生了較大影響。

目前，并網(wǎng)逆變器通常采用數(shù)字控制，數(shù)字控制中離散采樣、PWM輸出、并網(wǎng)同步信息檢測等環(huán)節(jié)會(huì)對控制系統(tǒng)帶來延時(shí)問題，這些因素會(huì)嚴(yán)重影響并網(wǎng)控制的動(dòng)態(tài)特性。因此，本文綜合考慮并網(wǎng)逆變器數(shù)字控制中存在的延時(shí)和基波電壓正負(fù)序分量提取過程中產(chǎn)生的延時(shí)，采用一種基于預(yù)測占空比、零極點(diǎn)補(bǔ)償控制以及正負(fù)序分量復(fù)數(shù)濾波器的綜合改進(jìn)方法來減小電網(wǎng)電壓不平衡條件下數(shù)字控制對并網(wǎng)控制性能的影響，以實(shí)現(xiàn)不平衡條件下逆變器并網(wǎng)控制的綜合改進(jìn)。

3 并網(wǎng)逆變器改進(jìn)控制方法

在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)有功功率恒定的控制目標(biāo)，就需要對基波電壓進(jìn)行正負(fù)序分量提取，在這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生檢測延時(shí)。為了減小檢測延時(shí)，引入前置濾波并采用高實(shí)時(shí)性的復(fù)矢量濾波器對基波電壓正負(fù)序進(jìn)行提取[18]。與傳統(tǒng)的提取方法相比，該方法可以縮短正負(fù)序分量的提取時(shí)間，基波電壓正負(fù)序分量檢測示意圖2所示。在電網(wǎng)電壓發(fā)生不平衡時(shí)，為了獲取準(zhǔn)確的相位信息，采用復(fù)矢量濾波器提取電壓正負(fù)序分量，其表達(dá)式為

(4)

當(dāng)基波電壓正負(fù)序分量分離出以后，即可利用瞬時(shí)功率理論計(jì)算電流參考值。目前根據(jù)不同的控制目標(biāo)參考電流的計(jì)算方法有3種[19]：1)負(fù)序號電流為零，抑制電流諧波；2)有功功率恒定，抑制有功功率二倍頻波動(dòng)；3)無功功率恒定。本文采用的控制目標(biāo)是保持有功功率恒定以抑制有功功率二倍頻波動(dòng)。

式(5)為參考電流的計(jì)算公式，此時(shí)若并網(wǎng)電流能夠有效跟蹤該電流參考值即可抑制并網(wǎng)有功功率的二次波動(dòng)[20-21]。

(5)

(6)

電流調(diào)節(jié)器采用準(zhǔn)比例諧振控制器，其傳遞函數(shù)為

(7)

式中，ω0為諧振頻率，kp為比例增益系數(shù)，kr為諧振增益系數(shù)，ωc為截止頻率。

根據(jù)雙線性法對式(7)進(jìn)行離散化處理[22]

(8)

其中，

(9)

式中，Ts為采樣時(shí)間。

在離散化的數(shù)字控制系統(tǒng)中，零階保持器傳遞函數(shù)為

(10)

系統(tǒng)延遲環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)等效為

Gd(s)=e-sTs。

(11)

在數(shù)字控制中所產(chǎn)生的采樣延時(shí)、PWM輸出延時(shí)，可采用文獻(xiàn)[7-9]所提出的基于占空比預(yù)測與零極點(diǎn)相結(jié)合的方法予以綜合補(bǔ)償，補(bǔ)償環(huán)節(jié)離散域傳遞函數(shù)為

(12)

與傳統(tǒng)兩相靜止坐標(biāo)系下并網(wǎng)逆變器數(shù)字控制方式不同的是，這種方法在電流調(diào)節(jié)器和延時(shí)環(huán)節(jié)之間加入了延時(shí)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，它的補(bǔ)償效果是既能消除電容電流內(nèi)環(huán)控制帶來的采樣延時(shí)，又能消除零階保持器帶來的調(diào)制延時(shí)。最終，得到不平衡條件下逆變器并網(wǎng)改進(jìn)控制方法如圖3所示。T1、T2、T3分別表示電網(wǎng)電壓采樣開關(guān)、并網(wǎng)電流采樣開關(guān)、電容電流采樣開關(guān)；Hic為電容電流反饋系數(shù)。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提控制方法的正確性，在仿真平臺(tái)MATLAB/Simulink中搭建三相并網(wǎng)逆變器模型，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 三相并網(wǎng)逆變器仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of three-phase grid-connected inverter

圖4為電網(wǎng)電壓在不平衡條件下的電網(wǎng)電壓波形。圖4(a)表示三相電網(wǎng)電壓在0.065～0.16 s之間發(fā)生了單相電壓降落。圖4(b)為兩相靜止坐標(biāo)系下電網(wǎng)電壓分量，在0.065～0.16 s之間電壓幅值不一致是由于電網(wǎng)在此時(shí)不對稱故障導(dǎo)致的。

圖5為電網(wǎng)電壓不平衡條件下采用前置復(fù)數(shù)濾波器分離的基波電壓正負(fù)序分量。圖5(a)所示為基波正序電壓波形，可以看出在0.065～0.16 s之間快速分離出了正序分量。圖5(b)所示為基波負(fù)序分量波形，可以看出在0.065～0.16 s之間快速準(zhǔn)確地分離出了負(fù)序分量?；妷赫?fù)序分量的快速分離提高了并網(wǎng)基波電壓檢測的實(shí)時(shí)性。

圖6為控制方法綜合改進(jìn)前后的有功功率和無功功率波形。圖6(a)、(b)分別為采用延時(shí)補(bǔ)償函數(shù)前后的功率對比波形，電網(wǎng)電壓在0.065～0.16 s之間發(fā)生了單相電壓降落。從圖6(a)可以看出，延時(shí)補(bǔ)償前有功功率在0.065 s之后波動(dòng)了15 ms之后恢復(fù)穩(wěn)定，無功功率在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)間段內(nèi)有二倍頻波動(dòng)；延時(shí)補(bǔ)償后有功功率在0.065 s之后波動(dòng)了5 ms之后恢復(fù)穩(wěn)定?？傮w上來看實(shí)現(xiàn)了有功功率恒定的控制目標(biāo)，同時(shí)延時(shí)補(bǔ)償綜合改進(jìn)方法可以減小有功功率波動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間，從而提高了并網(wǎng)控制的實(shí)時(shí)性。

圖7為電網(wǎng)電壓不平衡條件下控制方法綜合改進(jìn)前后三相并網(wǎng)電流波形。同樣地，電網(wǎng)電壓在0.065～0.16 s之間發(fā)生了單相電壓降落，圖7(a)所示為未加入延時(shí)補(bǔ)償函數(shù)的三相并網(wǎng)電流波形，可以看出在不平衡電壓出現(xiàn)時(shí)刻(0.065 s時(shí))A相電流波動(dòng)了10 ms左右后電流波形恢復(fù)穩(wěn)定，并且在整個(gè)電壓不平衡時(shí)段A相電流增大，這里也驗(yàn)證了有功功率恒定的控制目標(biāo)的正確性。圖7(b)為加入延時(shí)補(bǔ)償函數(shù)的三相并網(wǎng)電流波形，從中可以看出在不平衡電壓出現(xiàn)時(shí)刻(0.065 s時(shí))A相電流波動(dòng)了5 ms左右后電流波形恢復(fù)穩(wěn)定。對比發(fā)現(xiàn)采用綜合改進(jìn)的控制方法可以減小電網(wǎng)電壓不平衡條件下并網(wǎng)電流的調(diào)節(jié)時(shí)間，從而提高了整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

5 結(jié)論

文章綜合考慮了電網(wǎng)電壓不平衡條件下并網(wǎng)同步信息檢測、數(shù)字采樣、PWM輸出等延時(shí)問題，將預(yù)測占空比方法、零極點(diǎn)補(bǔ)償控制以及正負(fù)序分量復(fù)數(shù)濾波法相結(jié)合后，既減小了并網(wǎng)逆變器數(shù)字控制過程中產(chǎn)生的控制延時(shí)，又能迅速提取基波電壓正負(fù)序分量，減小并網(wǎng)同步信息獲取時(shí)間，從而進(jìn)一步提高了并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電壓不平衡條件下的實(shí)時(shí)性。所提方法對電網(wǎng)電壓輕度失衡條件下三相逆變器并網(wǎng)控制的實(shí)時(shí)性具有一定參考價(jià)值。