三相并网逆变器公共耦合点电压控制研究

伞国成， 漆汉宏， 魏艳君， 王怀宝

(电力电子节能与传动控制河北省重点实验室， 燕山大学电气工程学院， 河北 秦皇岛 066004)

三相并网逆变器公共耦合点电压控制研究

伞国成， 漆汉宏， 魏艳君， 王怀宝

(电力电子节能与传动控制河北省重点实验室， 燕山大学电气工程学院， 河北 秦皇岛 066004)

现代电力设备负荷变化将影响系统公共耦合点电压质量，降低并网系统运行可靠性。根据不同的线路阻抗性质，并网逆变器可以注入一定有功或无功功率实现公共耦合电压恢复控制。本文首先从功率流角度分析了系统线路阻抗和负荷变化对公共耦合点电压峰值变化的影响，而后利用并网电流在不同线路阻抗上的压降补偿作用提出两种电流补偿闭环控制方案，实现负荷变化情况下公共耦合点电压快速恢复。最后搭建了并网逆变器实验样机并进行了公共耦合点电压恢复实验研究，实验结果证明所提方案可以实现负荷变化情况下电压快速恢复。

并网逆变器; 公共耦合点; 电压控制

1 引言

传统能源枯竭和环境恶化已经成为世界各国共同关注的问题，许多国家纷纷开展在新能源领域的战略部署，大力发展以风能和太阳能为代表的分布式发电技术。然而，随着大规模分布式发电系统接入电网，其与电网间的相互影响日益显著[1-3]。并网逆变器作为发电单元和电网的接口设备，其控制显得尤为关键[4,5]。实际应用中，连接在公共耦合点(Point of Common Coupling, PCC)上的负载用电负荷发生变化，会导致公共耦合点电压波动，造成敏感负荷供电隐患，给敏感负荷系统运行安全性和可靠性带来巨大威胁[6-8]。因此，研究公共耦合点电压控制具有重要意义。

传统公共耦合点电压控制策略主要包括向电网注入有功或无功功率的控制方案。文献[9-11]提出无功注入控制策略实现电网故障期间电压恢复，但未涉及线路阻抗特性和功率注入对公共耦合点电压恢复效果的分析。文献[12]提出基于压降补偿器的无功注入方式，通过调节电压参考控制公共耦合点电压恢复，但该策略未明确负载变化和线路阻抗对公共耦合点电压的影响。为研究线路阻抗性质和有功无功功率注入对公共耦合点电压的影响，文献[13]提出一种功率注入策略，能够将耦合点电压恢复控制在合理范围，但该策略未考虑负载变化对耦合点电压的影响。为解决负载变化对耦合点电压的影响，本文首先从功率流角度分析系统线路阻抗和负荷变化对公共耦合点电压变化的影响，然后利用并网电流在不同线路阻抗上的压降补偿作用提出两种电流补偿闭环控制方案，最后进行实验验证。

2 公共耦合点电压控制方法

2.1 负荷变化对公共耦合点电压的影响

图1为本文研究系统的原理图。其中，电网等效为容量无穷大的电压源US串联等效阻抗Z=R+ jX，R为电阻分量，X为电感分量；并网逆变器通过公共耦合点接入电网，设电网流经公共耦合点的复功率表示为S=P+jQ，P为有功功率，Q为无功功率，并网逆变器向电网侧输出有功和无功功率为PG和QG，PCC处负载吸收有功和无功功率为PL和QL。

图1 系统原理图Fig.1 Schematic diagram

设公共耦合点电压UPCC=UPCC∠0°，根据图1可知，电网侧流过电流可表示为：

(1)

电网电压与公共耦合点电压的差值可表示为：

ΔU=US-UPCC=I(R+jX)

(2)

将式(1)代入式(2)：

(3)

式(3)中包含两个分量：实轴分量(PR+QX)/UPCC和虚轴分量(PX-QR)/UPCC，由于虚轴分量作用效果相对较小，忽略虚轴分量，式(3)可简化为：

(4)

通过式(4)可以看出，系统线路阻抗和电网注入功率直接影响公共耦合点电压变化。具体而言，当线路为阻性时有功功率影响显著，当线路呈感性时，无功分量影响显著，当线路为阻感性时，需要合理分配有功无功共同调节电压。

将负载吸收功率和逆变器输出功率代入式(4)：

(5)

通过式(5)可以看出，负载变化会影响公共耦合点电压，当负载功率增大时，ΔU变大，公共耦合点电压降低；当负荷功率减小，ΔU变小，公共耦合点电压升高。另一方面，为了进一步分析负载对公共耦合点电压的影响，以有功功率为例进行分析，对式(5)求PL偏导数：

(6)

由式(6)可知，当负载功率满足PL/QL=R/X时，存在∂UPCC/∂P=0，即负载按照线路阻抗阻感比消耗的有功和无功功率时，对公共耦合点电压影响更为显著。值得注意的是，当线路阻抗为阻性或感性时，并网逆变器可以进行有功或无功电流控制实现公共耦合点电压恢复。

2.2 电流补偿方案

2.2.1 有功电流补偿方案

在低压配电系统中，电网线路阻抗通常近似呈阻性。因此有功功率的变化对系统公共耦合点电压的影响要比无功功率对电压的影响更加明显。在这种情况下考虑理想情况，可以将电网线路阻抗等效为纯阻性，即Z=R+jX，X=0。此时通过式(5)可以得出公共耦合点电压为：

(7)

由于电网容量无穷大，US近似为恒定值，由式(7)可知，当负载功率增加或减小，将导致PCC电压减小或增大。其向量图如图2所示，其中PCC初始电压为UPCC0，负载变化后的PCC电压为UPCC1，IG为线路电流。

图2 阻性线路下负载变化对PCC电压影响Fig.2 Effect of load variation on PCC voltage with resistive impedance

图3 有功电流补偿控制Fig.3 Active current compensation control scheme

图4为有功电流补偿后公共耦合点电压变化向量图。当负载变化后公共耦合点电压为UPCC1，并网逆变器通过注入有功补偿电流参与控制，此时公共耦合点电压将快速恢复到UPCC2=UPCC0。

图4 有功电流补偿对PCC电压影响Fig.4 Effect of active current compensation on PCC voltage

2.2.2 无功电流补偿方案

当电网线路阻抗近似呈感性时，无功功率变化对系统公共耦合点电压的影响更为显著。将电网线路阻抗等效为纯感性，即Z=R+jX，R=0，此时通过式(5)可以得出公共耦合点电压为：

(8)

当负载无功功率增加或减小时，公共耦合点电压也会随之变化。其向量图如图5所示。

图5 感性线路下负载变化对PCC电压影响Fig.5 Effect of load variation on PCC voltage with inductive impedance

为了实现线路阻抗为感性条件下公共耦合点电压恢复控制，本文提出的无功电流补偿方案如图6所示。图7为无功电流补偿后公共耦合点电压变化向量图。并网逆变器通过无功电流作用来恢复公共耦合点电压。

图6 无功电流补偿控制Fig.6 Reactive current compensation control scheme

图7 无功电流补偿对PCC电压影响Fig.7 Effect of reactive current compensation on PCC voltage

3 实验结果

为了验证提出方案的有效性，搭建了三相并网逆变器实验样机进行实验研究。实验初始参数如下：直流母线电压120V，网侧电压50V，逆变器输出电流8A，网侧阻抗1Ω/3.2mH。实验结果如下。

图8为负载变化时公共耦合点处的电压和电流实验波形。从图8(a)可知，负载切除前公共耦合点电压为50V，逆变器输出电流8A，与初始实验条件一致。此时A相并网电流iagrid为2.5A，负载电流iaload为5.5A。负载切除后公共耦合点电压升高。图8(b)为负载切入情况下的实验结果。当负载切入后，由于逆变器输出电流小于负载需要的有功电流，此时需要电网输送部分电流，导致线路阻抗上产生压降，造成公共耦合点电压降低。

图8 负载变化时PCC电压和电流实验波形Fig.8 Experiment waveforms of PCC voltage and current

图9为负载变化情况下有功电流补偿控制实验波形。由图9(a)可知，负载切除后，在有功电流补偿控制下公共耦合点电压迅速恢复。图9(b)为负载切入后有功电流补偿控制的实验结果。可以看出，负载切入瞬间公共耦合点电压跌落，有功电流补偿控制下并网逆变器输出电流增加，网侧电流减小，线路引起的压降减小，从而实现公共耦合点电压迅速恢复。图10为负载变化情况下无功电流补偿控制实验波形。由图10(a)可知，负载切除后，无功电流补偿控制下公共耦合点电压迅速恢复。图10(b)为负载切入后有功电流补偿控制的实验结果，可以看出，负载切入瞬间公共耦合点电压跌落，在无功电流补偿控制下并网逆变器输出电流增加，实现公共耦合点电压迅速恢复。

图9 有功电流补偿方案的实验结果Fig.9 Experiment results of active current compensation

图10 无功电流补偿方案的实验结果Fig.10 Experiment results of reactive current compensation

4 结论

针对负荷变化影响公共耦合点电压问题，本文提出两种并网逆变器公共耦合点电压恢复控制方法并进行了理论分析和实验验证，结果表明，两种控制方案均可以实现公共耦合点电压快速恢复。实际应用中还需要考虑并网逆变器容量问题，随着大规模新能源接入电网，多台并网逆变器多余的容量可以分担补偿电流，如何协调多台并网逆变器公共耦合点电压控制需要进一步深入研究。

[1] 刘琳，陶顺，肖湘宁，等(Liu Lin，Tao Shun，Xiao Xiangning，et al.)分布式发电及其对配电网网损的影响分析(Distributed generation and its impact on network loss of power system.)[J]. 电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2012, 31(3): 16-19.

[2] 丁明，王伟胜，王秀丽，等 (Ding Ming，Wang Weisheng，Wang Xiuli，et al．)大规模光伏发电对电力系统影响综述(A review on the effect of large-scale PV generation on power systems)[J]．中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2014，34(1)：2-14．

[3] 黄际元，李欣然，黄继军，等(Huang Jiyuan, Li Xinran, Huang Jijun, et al.). 不同类型储能电源参与电网调频的效果比较研究(Comparison of application of different energy storages in power system frequency regulation) [J]. 电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2015, 34(3): 49-53.

[4] 李练兵, 张雷, 孙鹤旭(Li Lianbing, Zhang Lei, Sun Hexu). 三电平光伏逆变器并网控制策略的研究(Research on control strategy of three-level photovoltaic grid-connected inverter)[J]. 电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2015, 34(2): 39-43.

[5] 周哲,王萍,薛利坤,等(Zhou Zhe, Wang Ping, Xue Likun, et al.). 高增益开关电容光伏微型逆变器(High-gain photovoltaic micro-inverter based on switched capacitor)[J]. 电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2015, 34(6): 64-69.

[6] J Arrillaga, M H J Bollen, N R Watson．Power quality following deregulation[J]. Proceedings of the IEEE, 2000, 88(2): 246-260.

[7] 陈卫东，肖先勇，李皖，等(Chen Weidong, Xiao Xianyong, Li Wan, et al.)．敏感负荷电压凹陷敏感度的最佳平方逼近评估法(Voltage sag sensitivity assessment of sensitive equipments by optimal square approximation) [J]. 电网技术(Power System Technology), 2009, 33(8): 55-59.

[8] 肖先勇，王希宝，薛丽丽，等(Xiao Xianyong, Wang Xibao, Xue Lili, et al.)．敏感负荷电压凹陷敏感度的随机估计方法(A method to stochastically estimate voltage sag sensitivity of sensitive equipments) [J]. 电网技术(Power System Technology), 2007, 31(22): 30-33.

[9] A Camacho, M Castilla, J Miret, et al. Flexible voltage support control for three-phase distributed generation inverters under grid fault[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(4): 1429-1441.

[10] M Castilla, J Miret, A Camacho, et al. Voltage support control strategies for static synchronous compensators under unbalanced voltage sags[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(2): 808-820.

[11] M Castilla, J Miret, A Camacho, et al. Modeling and design of voltage support control schemes for three-phase inverters operating under unbalanced grid conditions[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 29(11): 6139-6150.

[12] A Camacho, M Castilla, J Miret, et al. Reactive power control for voltage support during type C voltage-sags[A]. 38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society[C]. 2012. 3462-3467.

[13] A Camacho, M Castilla, J Miret, et al. Reactive power control for distributed generation power plants to comply with voltage limits during grid faults[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 29(11): 6224-6234.

[14] 杜雄，王国宁，孙鹏菊，等(Du Xiong, Wang Guoning, Sun Pengju, et al.)．采用正弦幅值积分器的电网基波电压同步信号检测(Synchronization signal detection for grid fundamental voltage through employing sinusoidal amplitude integrators)[J]. 中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE), 2013, 33(36): 104-111.

[15] 江燕兴，潘逸菎，窦伟(Jiang Yanxing, Pan Yikun, Dou Wei). 一种用于光伏并网逆变器的高性能锁相环设计(Design of high-performance phase locked loop used in grid-connected inverter)[J]. 电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2016, 35(7): 75-80.

Research on PCC voltage control of three-phase grid-connected inverter

SAN Guo-cheng, QI Han-hong, WEI Yan-jun, WANG Huai-bao

(Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province, College of Electrical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

The load profile variation of the modern electrical equipments has a negative effect on the voltage quality at the point of common coupling, which degrades the reliability of grid-connected sensitive loads. The voltage regulation at the point of common coupling can be achieved by dynamically controlling the real or reactive power injected to the utility by the grid-connected inverter based on the types of line impedances. Firstly, the inherent relationship between voltage and load variation by considering the network impedance impact is discussed. Secondly, two compensated control strategies are evaluated to identify the compensator for the closed-loop controller to recover the voltage with a fast dynamic response speed when the load profile changes. Finally, the prototype of grid-connected inverter is built and the experimental tests are conducted to verify the effectiveness of the proposed method.

grid-connected inverter; point of common coupling; voltage control

2016-07-11

河北省应用基础研究计划重点基础研究项目(13964304D)、 燕山大学青年教师自主研究计划项目 (15LGB011)、 高等学校博士学科点专项科研基金项目(20121333110007)

伞国成(1979-)， 男， 黑龙江籍， 副教授， 硕士， 研究方向为分布式发电系统并网控制技术； 漆汉宏(1968-)， 男， 广西籍， 教授， 博士， 研究方向为风力发电和光伏发电技术(通讯作者)。

TM615

A

1003-3076(2016)11-0014-05