电网电压不平衡时两级式三相光伏并网系统控制策略研究

何丽君，王明渝

（重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044）

电网电压不平衡时两级式三相光伏并网系统控制策略研究

何丽君，王明渝

（重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044）

0　引 言

与以往独立光伏系统不同，并网光伏发电系统通过具有高频、非线性等特性的电力电子装置接入公共电网，当电网电压不平衡时，电网电压、电流中就会含有大量的负序分量，光伏系统输出功率也会发生波动，这会对电力系统设备造成严重损害，影响光伏并网效果［1］。事实上，关于电网不平衡时并网变换器的控制研究很早就已开始，早期主要针对的是PWM整流器或者风电并网。文献［2］给出了电网不平衡时PWM变流器网侧直流电压及电流的表达式，指出在电网不平衡情况下，传统的控制策略会让PWM变流器交流侧和直流侧产生相应谐波分量，导致网侧电流畸变，但尚未实现对正负序电流的精确控制。文献［3］基于风电并网，考虑了电抗器上的功率波动，实验中针对轻微的不平衡，利用机侧电流前馈实现了电网电压不平衡条件下稳定控制。

但总的来说，基于电网电压不平衡条件下的光伏并网研究还较少，大多集中在电网电压平衡情况下［46］。针对电网不平衡的逆变器控制，现有的基于瞬时功率理论的三相自然坐标系下的控制策略，需3个控制器，结构复杂，控制精度低［78］，若采用基于静止坐标系的控制方法，其控制器设计复杂，较难实现，而基于dq旋转坐标系的控制策略，其控制器设计简单，调试方便易行，能取得良好的控制效果。

光伏并网逆变器是光伏并网系统的关键组成部分，光伏并网逆变器按交流输出相数，分为单相、三相和多相拓扑结构，三相光伏逆变器按其变换级数主要又可分为单级式［9］和两级式［10］。单级式结构简单，但控制较为复杂，系统设计灵活性差，而两级式并网系统中前级DC/DC变换器实现升压功能和进行光伏阵列最大功率跟踪（maximum power point tracKing，MPPT），后级DC/AC逆变器则主要进行逆变，实现单位功率因数并网等功能，前后两个环节可以有独立的控制手段和目标，控制容易实现，在光照强度较弱时还能减小阴影对整个系统的影响，适用于中小功率场合［11］。关于在电网电压不平衡情况下单级式三相光伏并网系统的研究尚有一些［1213］，两级式结构较少提及。

本文将针对电网电压不平衡情况下的两级式三相光伏并网系统进行研究，通过对前级Boost直流变换器和后级三相逆变器系统的独立控制，实现对光伏电池输出功率的最大功率跟踪，同时抑制电网不平衡条件下逆变器网侧的负序电流，从而保护电力电子设备，提高光伏系统并网能力，保证电网系统的可靠安全运行。

1　两级式光伏并网系统拓扑及数学模型

本文研究的两级式三相光伏并网系统结构如图1所示。第一级采用Boost变换器作为DC/DC变换器，第二级采用带电感L滤波的三相DC/AC逆变器，前级DC/DC变换器实现升压功能和进行光伏阵列最大功率跟踪，后级DC/AC逆变器则主要进行逆变，实现单位功率因数并网等功能。当电网电压不平衡时，会对并网逆变器的正常工作造成影响，导致并网电流畸变以及功率波动。为了保证并网系统可靠运行，现针对三相电网电压不平衡时，并网逆变电路进行建模分析。

图1　两级式三相光伏并网系统拓扑

电网电压不平衡时，为了便于分析，首先只考虑电网电压基波分量，则电网电压E可以分解为正序分量E+、负序分量E-和零序分量E0［1415］，即

对于无中线的三相系统，不存在零序电流回路，因此忽略零序分量，即E0=0。

在复平面坐标系中，

针对图1中后级三相光伏并网逆变器拓扑结构，当电网电压不平衡时，可得到基于dq同步旋转坐标系下三相光伏逆变器解耦的正负序复矢量方程为［17 18］

当三相电网电压不平衡时，由功率理论知，并网逆变器网侧复功率S可以表示为［14］

将式（2）和（3）带入上式，可得

式中：P0、Q0分别为有功、无功功率的平均值；PC2、PS2分别代表二次有功功率余弦、正弦项峰值；QC2、QS2分别代表二次无功功率余弦、正弦项峰值，并且这些功率值在同步旋转坐标系下可表示为［14］

通过上式就可以根据要求计算得到实际电路并网电流的参考值。这里需注意，式（8）涉及的功率，忽略了滤波电感压降引起的功率不平衡量［19］。

2　系统控制方法

在前级电路中，根据输出功率要求，本文采取一种改进最大功率跟踪算法寻求MPP，其算法流程参照文献［5］。后级逆变电路控制详述如下。

2.1抑制逆变器网侧负序电流控制策略

如前所述，当电网电压不平衡时，电网电压、电流会出现负序分量，根据光伏电站接入电网后，并网电流的总谐波畸变率要小于5%的技术指标［20］，因此要抑制逆变器网侧负序电流，尽量保证单位功率因数并网。对于后级逆变电路的控制主要包括两部分，一是直流环电压控制，二是抑制网侧负序电流不平衡控制。而本文将提出一种抑制逆变器网侧负序电流的控制方法。

在控制输出电流时，可采用前馈解耦方式，使得d、q轴相互独立，易于控制。因此结合式（4）并加入电流前馈控制环节，忽略电阻R，经过电流PI调节后的参考控制电压可以按式（11）、（12）进行设计［17］：

根据上述控制算法，可得到在电网电压不平衡情况下，两级式三相光伏系统整体控制策略结构图如图2所示，该控制策略具有抑制逆变器网侧负序电流的功能。

2.2 正负序分量分离及锁相

要保证逆变器能够正常并网，必须要使逆变器并网电流与电网电压同步，在电网电压不平衡时，电网相位角的精确获取在三相并网逆变器控制中非常关键。本文采用基于二阶广义积分器（second-order generalized integrator，SOGI）的正交信号发生器锁相环，此种锁相环能有效进行正负序检测分离并提取电网电压相位，基于SOGI的锁相环结构原理如图3所示［2122］。

利用对称分量法，三相电压矢量的瞬时正负序分量可以分别表示为

因此，在两相静止同步坐标系中，瞬时正负序电压分量可以分别表示为

图2　电网电压不平衡情况下两级式光伏系统控制框图

图3　基于二阶广义积分器（SOGI）的锁相环结构原理图

图4中SOGI的传递函数D（s）、Q（s）为

图4　二阶广义积分器（SOGI）原理图

3　仿真及结果分析

为了验证本文所述三相光伏并网控制策略的正确性，根据图2在Matlab/SimulinK中搭建两级式三相光伏并网系统仿真整体电路。前级电路光伏阵列电池模型采用文献［23］中使用的数学模型，前级实现MPPT控制和升压功能；后级逆变器电路采用电网电压不平衡抑制负序电流控制策略，滤波器为电感L滤波，该系统仿真参数如表1所示。

表1　两级式三相光伏并网系统仿真参数

仿真时间设置到0.5s，仿真开始时，光伏阵列温度T=25℃，光照强度G设为1 000W/m2，电网电压平衡情况下三相电网电压峰值均为311V，相位互差120°；在0.25s时刻，发生电网电压不平衡，直至0.5s，此间三相电网电压峰值分别设为280V，311V，311V，相位仍互差120°，三相电网电压波形如图5（a）。图5（b）为给定电网电压不平衡情况下，采用常规双闭环控制策略的三相并网电流波形［4］，可以看到0.25s后并网电流畸变。

本文仿真验证所述抑制负序并网电流控制策略正确性时，为了同时验证本文前级Boost电路MPPT控制算法的有效性，在0.32s，使光照强度G由1 000W/m2突变为800W/m2，0.38s时又从800W/m2恢复为1 000W/m2；在0.4s，改变光伏阵列所处外界环境温度，温度从25℃突升到75℃，在0.45s又降回25℃，变化过程如图6（a）所示。图6（a）中，从上到下，依次为光照强度G、温度T、光伏阵列输出功率Ppv。图6（b）为采用本文所述抑制负序电流控制策略的两级式三相光伏并网系统并网电流波形。在0.25s电网电压发生不平衡情况下，从图6（a）中可以看出，无论电网平衡或不平衡，光照强度或者温度如何突变，光伏阵列输出都能快速地处于稳定状态，并实现最大功率点的跟踪，证明了前级MPPT控制算法的正确性。而对于两级式结构的三相光伏并网系统的并网电流，经过短暂的暂态过程，三相并网电流保持平衡，正弦度高，需要指出的是，当电网电压不平衡时，从0.25s到0.32s，由于光伏阵列输出功率不变，并网电流会略有增大；而在0.32～0.38s，由于此期间光照强度G发生了改变，导致光伏阵列输出功率降低，并网电流会降低；从0.38～0.4s，光照强度G恢复，此时并网电流情况同0.25～0.32 s期间情况；从0.4～0.45s，外界环境温度T发生改变，导致光伏阵列输出功率略降，因此并网电流也会相应有所降低。

图5　电网电压不平衡时三相电网电压及并网电流波形（常规双闭环控制策略）

图7为区别于两级式结构，而采用单级式结构光伏系统在电网电压不平衡条件下取得的并网电流波形，仿真时除了将两级式结构换成单级式结构外，其他仿真参数完全相同，可以看到在同样条件下，使用单级结构，系统无法正常工作，这是因为单级结构的光伏输入范围比两级的要小，在此情况下无法进行正常逆变并网，而两级结构实现更为灵活，且在电网电压不平衡情况下能实现独立控制，设计简单。

图6　电网电压不平衡时两级式三相光伏系统输出波形（抑制负序电流控制策略）

图7　电网电压不平衡时单级式三相光伏系统并网电流波形

以A相并网电流为例，在电网电压不平衡，温度T为25℃，光照强度G为1 000W/m2情况下，稳态输出时进行频谱分析，可得系统交流输出电流总谐波畸变率THD为2.43%，满足标准IEEE Std 929 2000［24］（THD＜5%）中关于光伏逆变器的并网要求，验证了本文提出的电网电压不平衡时抑制负序电流控制策略的有效性。综上，本文中建立的两级式三相光伏并网系统能在电网电压变化情况下稳定运行，并同时保证并网电流的平衡度。

4　结 论

本文基于两级式三相光伏逆变系统，建立电网电压不平衡情况下三相光伏逆变器的数学模型，并提出对前级Boost电路及后级逆变器电路的控制策略，前后两级控制相互独立，便于控制。电网电压不平衡时，后级逆变系统中会产生负序分量，严重影响电网安全可靠运行，因此本文在两相旋转坐标系下进行算法计算得到并网电流参考指令值，基于SOGI的正负序分量提取方法能有效提取正负序分量并实现对电网电压的锁相。仿真结果验证了在电网电压不平衡条件下，建立的两级式三相光伏逆变系统稳定运行的同时，抑制负序电流不平衡的控制方法也能有效地保证并网电流的平衡，证明了整个系统的可靠性，可为在电网电压不平衡条件下进行三相光伏逆变器并网研究提供一定的参考。

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（责任编辑:杨秋霞）

Research on Control Strategy for Two-stage Three-phase PV Grid-connected System Under Unbalanced Voltage Conditions

HE Lijun，WANG Mingyu
（State Key Laboratory of Transmission Equipment and System Safety and Electrical New Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

在实际运行中，电网可能会出现不平衡状况。根据光伏阵列输出特性和逆变器并网要求，对两级式光伏并网逆变系统进行研究，建立不平衡情况下的数学模型来实现前级Boost电路和后级逆变系统的独立控制。为了抑制负序分量，采用基于二阶广义积分（SOGI）的正交信号发生器进行正负序分量分离并完成对电网电压的锁相，同时，提出一种基于dq同步旋转坐标系下的抑制负序电流的控制策略。最后通过建立光伏并网系统的仿真模型，验证了所提出的控制策略在电网电压不平衡情况下的有效性。

电网电压不平衡；两级式光伏；并网逆变器；负序电流；二阶广义积分

In actual operation，voltage imbalance may occur. According to output characteristics of photovoltaic array and the requirement of grid-connected inverter，two-stage PV grid-connected system isstudied，and the mathematical model of unbalanced grid is established to independently control the Boost chopper and the inverter system.In order to restrain the negative sequence component，orthogonal signal generator based on second-order generalized integrator（SOGI）is used to separate the positive-negative sequence component and realize the phase locking of grid voltage.At the same time，a control strategy of suppressing the negative sequence current in dq synchronous rotation reference frame is proposed.In the end，simulation model of PV grid-connected system is established to verify the validity of proposed strategy under the unbalanced grid voltage conditions.

grid voltage unbalance；two-stage PV；grid-connected inverter；negative sequence current；SOGI

1007-2322（2015）02-0016-07

A

TM464

2014-06-11

何丽君（1990—），女，硕士研究生，研究方向为光伏并网系统的运行及控制，E-mail：984539287@qq.com；

王明渝（1960—），男，教授，博士生导师，研究方向为电力电子与电力传动等，E-mail：ceemwang@cqu.edu.cn。