電網不對稱故障時光伏逆變器控制方法分析

朱聯聯，馬驍馳，劉媛，李保鋼，劉瑞

（天津電氣科學研究院有限公司,天津，300301）

1 并網光伏逆變器的電路組成結構和常用的控制方法

1.1 并網光伏逆變器的電路組成結構

現在我國生產的大功率并網光伏逆變器采用單級式的拓撲結構具有較低的成本、很少的功率消耗、簡單的組成結構等特點，以單級式并網型光伏逆變器為典型，光伏板陣列吸收太陽能產生的電能向逆變器直流母線充電，并網逆變器把直流母線側的直流電能轉換成頻率為工頻的交流電，再通過變壓器的升壓操作將并網逆變器輸出側的電壓變成滿足并網要求的額定電壓，同時將光伏發電系統與電網之間進行電氣隔離，利用防反二極管來防止將電網的電能反送給光伏發電系統。

1.2 并網光伏逆變器常用的控制方法

單級并網光伏逆變器大多采用以電網電壓值為基礎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，進行運算處理后得到中環參考值，直流母線電壓值與參考值的差值經過比例積分控制調節獲得內環電流的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比例積控制器進行調節并計算得出逆變器輸出側電壓。按著一樣的道理，對內環電流的q軸分量進行控制來改變無功功率。當在電壓下降的時間段內，逆變器輸出側電流的主要成分為有功分量電流，所以，為使輸出側電流不越過1.1倍額定電流的值，應該把電流內環的有功電流給定值控制在一定合理數值之內。根據實際需要，可以把逆變器輸出電流d軸分量調低來達到留出電流裕度，以此來輸出無功電流。利用標么值的方式，可設無功電流給定值為0時，將內環電流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輸出直流電壓指令的改變決定著并網光伏逆變器直流側電壓的變化。所以在脈沖寬度調制生成工頻交流電時應關注的是，如果采用正弦脈寬調制，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使之成為標量，之后觸發脈沖的再次生成。如果應用空間矢量脈寬調制，可以不對逆變器輸出電壓d軸分量與d軸分量進行處理。

2 并網型光伏逆變器在電網不對稱故障條件動態特性分析

通過對并網型光伏逆變器的主電路經過理論公式的計算可以看出，逆變器輸出的有功功率以及無功功率都存在著二倍頻的震蕩現象，無論采用何種方式控制正負序電流，都無法實現有功和無功功率的二倍頻分量一起為0。由于有功功率發生的波動會導致直流母線側電壓的二倍頻擾動，而進一步造成直流母線側電壓的穩定性，還有逆變器的運行情況以及交流電網的電流質量狀況受負序電流存在的影響。所以在電網電網不對稱故障條件應該控制有功功率二倍頻波動和抑制負序電流。

3 以模型預測電流為基礎的控制方法

為在發生電網發生不對稱故障時能讓逆變器的輸出側電流值可以正確的跟隨正、負序電流參考值，可利用電流調節器來完成這一要求。如果電網出現電壓不對稱，兩相靜止坐標系中逆變器輸出側電流值具有同步角速度轉的正序分量、同步角速度反轉的負序分量。為了能在兩相靜止坐標系中對正負序電流分量進行控制，而且不對電網側的正負序電流采取分離處理，還要縮短電流在正負序分離時所導致的時間延長和誤差存在，可采用以模型預測電流為基礎的控制方法。逆變器的輸出側電壓經過邏輯開關函數、三相座標系轉換二相座標系、離散化的理論公式推導得出逆變器輸出電壓與開關狀態組合關系公式做為電流預測控制方法的預測模型，從中可以發現k時刻的輸出電流值Iα和Iβ可以被預測到，就可以完成預測模型的函數。由于變器輸出電壓與開關狀態組合關系有8種狀態，可以評價8個電壓量所在的狀態，選擇一種讓預測模型的函數得到最小值所要求的電壓量，此量對應那一種開關狀態，就讓其對下一個采樣周期起到決定作用。

4 模型預測電流控制方法效果分析

對模型預測電流控制方法進行應用分析發現，該控制方法對電流的控制精度與電感數值參數有關，光伏發電系統在實際運行情況發生變化時電感參數值也會隨著改變，電感參數值地改變影響著模型預測電流控制效果。再對A相電流總諧波畸變率進行分析時發現，如果主電路電感值變大時，A相電流總諧波畸變率就會相對地變小，當主電路電感參數值與控制器電感參數值不相同時，A相電流總諧波畸變率誤差很小，由此可以看出，以模型預測電流為基礎的并網光伏逆變器控制方法，當電網參數發生改變的條件下逆變器中控制元器件的參數的是否發生改變并不影響輸出電流值，表明該控制方法的穩定性比較好。處理電網電壓三相對稱情況下，并網光伏逆變器的有功功率和無功功率穩定時，分量的電流值沒有變化，同時逆變器輸出側的電流處于三相對稱的狀態。但是當輸出側的有功功率與無功功率處于變動時，分量電流能對參考電流值進行很好的保持一致，把三相電流值快速地達到穩定狀態。

對輸出的有功功率進行對比時發現，如果電網發生A相短路故障，采用對稱控制辦法時，由于還在采用正序旋轉坐標系的比例積分控制方法，不對稱的電壓與電流會產生相序分解，逆變器輸出側有功功率起伏挺大，經過穩定之后的二次諧波幅值仍處于很高水不，當采用模型預測電流控制方法后二次諧波幅值與采用對稱控制方法相比減少了76%，所以，對有功功率的抑制起到了很好的作用。

對直流母線側電壓對比中可以看出，如果有功功率值出現起伏較小時，直流母線側的電壓改變量也變得很少，當有功功率二次諧波的幅值下降74%左右時，直流母線側電壓值的二次諧波值也縮小13%，如果應用模型預測電流控制方法，，二次諧波幅值會縮小到11%，從理論上來講符合要求。

采用對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，如果采用以模型預測電流為基礎的控制方法會把電流總諧波畸變率降低到極小的數值內，可見該控制方法不但對逆變器輸出側有功功率和直流母線電壓起伏進行抑制，還能改善電網運行質量。

5 結束語

本文在并網光伏逆變器在電網中出現不對稱故障時進行動態分析，提出了以模型預測電流為基礎的控制方法，并在應用中進行效果分析，表明以模型預測電流為基礎的控制方法具有很好的動態穩定性，可以對電網不對稱故障下的有功功率變動和電流負序分量進行可靠的控制，從而改善電流運行質量，在實際應用中具有很好的參考價值。

參考文獻

[1]梁海峰，馮燕闖，劉子興，等．基于無差拍控制的光伏電站低電壓穿越技術的研究［J］．電力系統保護與控制，2013，41（21）：110-115．

[2]劉偉增,周洪偉,張磊,等.電網不平衡條件下光伏并網控制策略研究[J].太陽能學報,2013,34（4）：647-652．