電網(wǎng)不對(duì)稱故障時(shí)光伏逆變器控制方法分析

朱聯(lián)聯(lián)，馬驍馳，劉媛，李保鋼，劉瑞

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司,天津，300301）

1 并網(wǎng)光伏逆變器的電路組成結(jié)構(gòu)和常用的控制方法

1.1 并網(wǎng)光伏逆變器的電路組成結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在我國(guó)生產(chǎn)的大功率并網(wǎng)光伏逆變器采用單級(jí)式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有較低的成本、很少的功率消耗、簡(jiǎn)單的組成結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，以單級(jí)式并網(wǎng)型光伏逆變器為典型，光伏板陣列吸收太陽(yáng)能產(chǎn)生的電能向逆變器直流母線充電，并網(wǎng)逆變器把直流母線側(cè)的直流電能轉(zhuǎn)換成頻率為工頻的交流電，再通過(guò)變壓器的升壓操作將并網(wǎng)逆變器輸出側(cè)的電壓變成滿足并網(wǎng)要求的額定電壓，同時(shí)將光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間進(jìn)行電氣隔離，利用防反二極管來(lái)防止將電網(wǎng)的電能反送給光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1.2 并網(wǎng)光伏逆變器常用的控制方法

單級(jí)并網(wǎng)光伏逆變器大多采用以電網(wǎng)電壓值為基礎(chǔ)的定向矢量控制的方法，把光伏逆變器器直流母線電壓值（Vdc）與直流母線電流值（Idc）輸入至最大最大功率追蹤控制器中，進(jìn)行運(yùn)算處理后得到中環(huán)參考值，直流母線電壓值與參考值的差值經(jīng)過(guò)比例積分控制調(diào)節(jié)獲得內(nèi)環(huán)電流的d軸分量參考值，參考值和逆變器輸出電流d軸分量的差值通電流環(huán)比例積控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)并計(jì)算得出逆變器輸出側(cè)電壓。按著一樣的道理，對(duì)內(nèi)環(huán)電流的q軸分量進(jìn)行控制來(lái)改變無(wú)功功率。當(dāng)在電壓下降的時(shí)間段內(nèi)，逆變器輸出側(cè)電流的主要成分為有功分量電流，所以，為使輸出側(cè)電流不越過(guò)1.1倍額定電流的值，應(yīng)該把電流內(nèi)環(huán)的有功電流給定值控制在一定合理數(shù)值之內(nèi)。根據(jù)實(shí)際需要，可以把逆變器輸出電流d軸分量調(diào)低來(lái)達(dá)到留出電流裕度，以此來(lái)輸出無(wú)功電流。利用標(biāo)么值的方式，可設(shè)無(wú)功電流給定值為0時(shí)，將內(nèi)環(huán)電流d軸分量參考值限定在0-1.1之間。

除此之外，最大功率追蹤控制器的外環(huán)輸出直流電壓指令的改變決定著并網(wǎng)光伏逆變器直流側(cè)電壓的變化。所以在脈沖寬度調(diào)制生成工頻交流電時(shí)應(yīng)關(guān)注的是，如果采用正弦脈寬調(diào)制，需要把得出的逆變器輸出電壓d軸分量與d軸分量除以一半的直流母線電壓來(lái)使之成為標(biāo)量，之后觸發(fā)脈沖的再次生成。如果應(yīng)用空間矢量脈寬調(diào)制，可以不對(duì)逆變器輸出電壓d軸分量與d軸分量進(jìn)行處理。

2 并網(wǎng)型光伏逆變器在電網(wǎng)不對(duì)稱故障條件動(dòng)態(tài)特性分析

通過(guò)對(duì)并網(wǎng)型光伏逆變器的主電路經(jīng)過(guò)理論公式的計(jì)算可以看出，逆變器輸出的有功功率以及無(wú)功功率都存在著二倍頻的震蕩現(xiàn)象，無(wú)論采用何種方式控制正負(fù)序電流，都無(wú)法實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的二倍頻分量一起為0。由于有功功率發(fā)生的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致直流母線側(cè)電壓的二倍頻擾動(dòng)，而進(jìn)一步造成直流母線側(cè)電壓的穩(wěn)定性，還有逆變器的運(yùn)行情況以及交流電網(wǎng)的電流質(zhì)量狀況受負(fù)序電流存在的影響。所以在電網(wǎng)電網(wǎng)不對(duì)稱故障條件應(yīng)該控制有功功率二倍頻波動(dòng)和抑制負(fù)序電流。

3 以模型預(yù)測(cè)電流為基礎(chǔ)的控制方法

為在發(fā)生電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)能讓逆變器的輸出側(cè)電流值可以正確的跟隨正、負(fù)序電流參考值，可利用電流調(diào)節(jié)器來(lái)完成這一要求。如果電網(wǎng)出現(xiàn)電壓不對(duì)稱，兩相靜止坐標(biāo)系中逆變器輸出側(cè)電流值具有同步角速度轉(zhuǎn)的正序分量、同步角速度反轉(zhuǎn)的負(fù)序分量。為了能在兩相靜止坐標(biāo)系中對(duì)正負(fù)序電流分量進(jìn)行控制，而且不對(duì)電網(wǎng)側(cè)的正負(fù)序電流采取分離處理，還要縮短電流在正負(fù)序分離時(shí)所導(dǎo)致的時(shí)間延長(zhǎng)和誤差存在，可采用以模型預(yù)測(cè)電流為基礎(chǔ)的控制方法。逆變器的輸出側(cè)電壓經(jīng)過(guò)邏輯開關(guān)函數(shù)、三相座標(biāo)系轉(zhuǎn)換二相座標(biāo)系、離散化的理論公式推導(dǎo)得出逆變器輸出電壓與開關(guān)狀態(tài)組合關(guān)系公式做為電流預(yù)測(cè)控制方法的預(yù)測(cè)模型，從中可以發(fā)現(xiàn)k時(shí)刻的輸出電流值Iα和Iβ可以被預(yù)測(cè)到，就可以完成預(yù)測(cè)模型的函數(shù)。由于變器輸出電壓與開關(guān)狀態(tài)組合關(guān)系有8種狀態(tài)，可以評(píng)價(jià)8個(gè)電壓量所在的狀態(tài)，選擇一種讓預(yù)測(cè)模型的函數(shù)得到最小值所要求的電壓量，此量對(duì)應(yīng)那一種開關(guān)狀態(tài)，就讓其對(duì)下一個(gè)采樣周期起到?jīng)Q定作用。

4 模型預(yù)測(cè)電流控制方法效果分析

對(duì)模型預(yù)測(cè)電流控制方法進(jìn)行應(yīng)用分析發(fā)現(xiàn)，該控制方法對(duì)電流的控制精度與電感數(shù)值參數(shù)有關(guān)，光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行情況發(fā)生變化時(shí)電感參數(shù)值也會(huì)隨著改變，電感參數(shù)值地改變影響著模型預(yù)測(cè)電流控制效果。再對(duì)A相電流總諧波畸變率進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果主電路電感值變大時(shí)，A相電流總諧波畸變率就會(huì)相對(duì)地變小，當(dāng)主電路電感參數(shù)值與控制器電感參數(shù)值不相同時(shí)，A相電流總諧波畸變率誤差很小，由此可以看出，以模型預(yù)測(cè)電流為基礎(chǔ)的并網(wǎng)光伏逆變器控制方法，當(dāng)電網(wǎng)參數(shù)發(fā)生改變的條件下逆變器中控制元器件的參數(shù)的是否發(fā)生改變并不影響輸出電流值，表明該控制方法的穩(wěn)定性比較好。處理電網(wǎng)電壓三相對(duì)稱情況下，并網(wǎng)光伏逆變器的有功功率和無(wú)功功率穩(wěn)定時(shí)，分量的電流值沒有變化，同時(shí)逆變器輸出側(cè)的電流處于三相對(duì)稱的狀態(tài)。但是當(dāng)輸出側(cè)的有功功率與無(wú)功功率處于變動(dòng)時(shí)，分量電流能對(duì)參考電流值進(jìn)行很好的保持一致，把三相電流值快速地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)輸出的有功功率進(jìn)行對(duì)比時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果電網(wǎng)發(fā)生A相短路故障，采用對(duì)稱控制辦法時(shí)，由于還在采用正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的比例積分控制方法，不對(duì)稱的電壓與電流會(huì)產(chǎn)生相序分解，逆變器輸出側(cè)有功功率起伏挺大，經(jīng)過(guò)穩(wěn)定之后的二次諧波幅值仍處于很高水不，當(dāng)采用模型預(yù)測(cè)電流控制方法后二次諧波幅值與采用對(duì)稱控制方法相比減少了76%，所以，對(duì)有功功率的抑制起到了很好的作用。

對(duì)直流母線側(cè)電壓對(duì)比中可以看出，如果有功功率值出現(xiàn)起伏較小時(shí)，直流母線側(cè)的電壓改變量也變得很少，當(dāng)有功功率二次諧波的幅值下降74%左右時(shí)，直流母線側(cè)電壓值的二次諧波值也縮小13%，如果應(yīng)用模型預(yù)測(cè)電流控制方法，，二次諧波幅值會(huì)縮小到11%，從理論上來(lái)講符合要求。

采用對(duì)稱控制的方法其變頻器的輸出電流畸變較大，每相的輸出電流的電流總諧波畸變率很高，如果采用以模型預(yù)測(cè)電流為基礎(chǔ)的控制方法會(huì)把電流總諧波畸變率降低到極小的數(shù)值內(nèi)，可見該控制方法不但對(duì)逆變器輸出側(cè)有功功率和直流母線電壓起伏進(jìn)行抑制，還能改善電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在并網(wǎng)光伏逆變器在電網(wǎng)中出現(xiàn)不對(duì)稱故障時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，提出了以模型預(yù)測(cè)電流為基礎(chǔ)的控制方法，并在應(yīng)用中進(jìn)行效果分析，表明以模型預(yù)測(cè)電流為基礎(chǔ)的控制方法具有很好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，可以對(duì)電網(wǎng)不對(duì)稱故障下的有功功率變動(dòng)和電流負(fù)序分量進(jìn)行可靠的控制，從而改善電流運(yùn)行質(zhì)量，在實(shí)際應(yīng)用中具有很好的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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