并网逆变器的电压支撑控制策略的实现

陈益松，孙　伟，赵晨光，李建文

(1.国网江西省电力公司九江供电公司，江西九江　332000；2. 国网河北省电力公司保定供电分公司，河北保定　071051；3. 国网河北省电力公司邯郸供电公司，河北邯郸　056000 ； 4.华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定　071003)



并网逆变器的电压支撑控制策略的实现

陈益松1，孙伟2，赵晨光3，李建文4

(1.国网江西省电力公司九江供电公司，江西九江332000；2. 国网河北省电力公司保定供电分公司，河北保定071051；3. 国网河北省电力公司邯郸供电公司，河北邯郸056000 ； 4.华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071003)

摘要：为了实现电网电压发生跌落时，并网逆变器能够支撑并网点电压的目的，通过改变并网逆变器注入到电网的参考正负序电流来控制注入到电网中的无功功率大小，采用双二阶广义积分器的锁频环(DSOGI-FLL)、准比例谐振(QPR)电流环控制方法，利用电网同步、正负序提取和电流跟踪技术实现对并网点电压支撑，达到准确的锁频和电流无静差快速响应。并通过伯德图分析，得出参数的设置规律。最终通过整个控制系统的仿真实验验证了上述控制策略的有效性。

关键词：电力电子技术； 电压支撑；双二阶广义积分器锁频环；准比例谐振控制；并网逆变器

随着大量的新能源发电系统并网技术的发展，并网逆变器的控制功能越来越多，不仅能够在电网正常运行时，低谐波高效并网，实现有功功率传输，而且在电网电压不平衡跌落时，具有低电压穿越能力，提供无功功率，主动给电网提供电压的支撑[1-5]。

当电网电压不平衡跌落时，并网逆变器三相电压和注入的电流都是不平衡的，存在正、负序分量，传送到电网的瞬时有功和无功功率包含2倍电网基波频率的振荡项[1]。并网参考电流的给定根据不同的控制目标可得到不同的表达式[6-9]。主要包括:1)基于有功功率和无功功率的独立控制方式,在电网电压不平衡时以消除有功功率或无功功率的振荡为目标，进而抑制直流侧电容电压的大幅波动[6]；2)利用瞬时功率理论，实现对注入到电网的功率的实时控制[7]；3)以消除负序电流为目标，达到向电网注入正弦对称的电流的目的，进而保证电能质量[8]；4)基于正负无功电流的灵活控制，实现电网电压的支撑等达到多功能并网的目的[9]。上述控制目标的实现均需要电网同步技术和电流跟踪控制。

当三相系统中的电压变得不对称甚至畸变时，采用的电网同步技术主要有：1)基于二阶广义积分器的锁频环(SOGI-FLL)[10]；2)基于解耦双同步旋转坐标系的锁相环技术(DDSRF-PLL)[11]；3)基于3个单相加强型锁相环(E-PLL)构成的三相锁相环[12]，以及以双同步旋转坐标系锁相环为基础改进的基于交叉解耦频率自适应复数滤波的电网同步锁相方法[13]。以上技术都能在不对称的三相系统中实现与2阶广义积分器锁频环大致相同的检测功能，但后几种的控制算法较复杂，且以相位为检测目标。

并网电流跟踪控制可以采用dq坐标系下比例积分控制，但在不平衡的三相系统中，其无法实现基波频率处的无静差控制[14]。此时可以在dq坐标系下，对正序、负序电流分量采用PI控制补偿电网电压负序产生的谐波，但计算量会再加倍。比例谐振 (PR) 控制器在αβ坐标系，同时控制正序、负序电流，不存在交叉耦合项，且能消除基波频率处的稳态误差，但存在基波频率失稳的问题。准比例谐振(QPR)控制器在基波频率下增益有限，同时还可以用剪切频率ωc设定合适的带宽，以提高系统抗电网频率波动的能力[15-17]。

本文旨在解决电网电压跌落情况下，并网逆变器能起到电网点支撑作用的问题。通过对参考电流的设定来实现电网电压支撑作用，使其具备低电压穿越能力，采用双二阶广义积分器锁频环实现不平衡电网电压监测的同步技术，采用无静差的准比例谐振控制技术实现不对称正负序电流的跟踪，最后通过仿真实验进行系统验证。

1并网逆变器的电压支撑控制策略

具有电网电压支撑作用的并网逆变器的控制框图如图1所示，光伏阵列通过Boost电路与直流电容C并联作为逆变器的直流侧，并网滤波器采用L滤波器。本文研究电网变量监测的电网同步技术(DSOGI-FLL)包含正交信号获取技术、相序提取技术；具有电压提升和均衡作用的参考电流的设置、控制算法在αβ静止坐标系中实现，电流控制环采用QPR控制。

图1　并网逆变器的控制框图Fig.1　Control block of grid inverter

2控制策略的实现

2.1双二阶广义积分器锁频环(DSOGI-FLL)

双二阶广义积分器锁频环包含2个基于二阶广义积分器的正交信号发生器(SOGI-QSG)和FLL增益归一化两部分，分别实现了正交信号发生器和锁频环的功能。

vabc在αβ静止参考坐标系的正、负序分量中可以通过式(1) 、式(2)求得：

(1)

(2)

式中：q为90°滞后移相算子，这一算子可以通过基于二阶广义积分器的正交信号发生器来实现。这样，正负序分量的获取与电网电压的锁频通过二阶广义积分器联系在一起，其功能实现如图2所示。

图2　DSOGI-FLL与相序提取原理框图Fig.2　DSOGI-FLL and the extraction of sequence

2.2参考电流设计

在αβ静止坐标系中，电网电压正、负序分量作用于无功功率产生的无功参考电流[3,15],当正序无功电流与负序无功电流共同作用时，引入变量k2控制正负序电流的比例，iα,iβ参考电流表达式为

(3)

三相逆变器采用电感L滤波，在不平衡的电网电压情况下，无功功率产生的正、负序无功电流通过电感时将产生一个电压，此电压对电网电压能够起到提升和均衡的作用，此结果已经在文献[9]中证明。从而灵活控制k2值，可以控制正负序分量从而得到合适的电流注入到电网。

2.3QPR电流控制环的参数选取

QPR与PR控制的传递函数方程如式(4)、式(5)所示：

(4)

(5)

两者的伯德图，如图3所示。

图3　QPR与PR控制的伯德图Fig.3　Bode diagrams of the QPR and PR control

从图3中可以看出QPR控制在基波频率处增益比较大，而不是无限大，从而避免了比例谐振控制增益无限大引起的稳定性问题。

下面分析QPR控制器参数对控制系统的影响。当QPR控制器kP,kR,ωc取值不同时，其伯德图如4所示。

图4　kP,kR,ωc取不同值时　　　QPR控制的伯德图Fig.4　Bode diagrams of QPR with different values 　　　of kP,kR,ωc

采用QPR控制，参数kR决定基波频率处的幅值增益，kR越大其增益越大；ωc决定系统的带宽，ωc越小系统的带宽越小；kP影响低频与高频处的幅值增益以及相位裕度，kP越小，低频与高频处的幅值增益越小时，为了降低低频与高频的影响，希望kP较小，但kP很小时，系统的动态响应就会降低；同时QPR控制器中这3个参数相互影响作用很小。选择QPR参数时，需增大基频处的幅值增益，增大kR数值，以提高基频处的稳态误差；选择较大的ωc值来设定系统的带宽，有助于降低控制器对电网电压频率变化的灵敏性；合适的kP值可以平衡系统的快速性与准确性。

3用于电压支撑的并网逆变器仿真

3.1DSOGI-FLL仿真

设三相电压vabc为220V/50Hz。在0.5s时刻，电网发生故障，A相电压幅值从220V骤降为180V，频率从50Hz骤降为48Hz，相角突变为30°；B,C两相电压保持正常。此系统参数SOGI-FLL，k=1.414，Γ=60。图5给出了DSOGI-FLL电网同步法对频率和相位的跟踪情况。

图5　DSOGI-FLL的频率、相位波形Fig.5　Frequency and phase waveform under 　　　the control of DSOGI-FLL

从图5可以看出，DSOGI-FLL电网同步法可以实现对频率和相位的跟踪，其响应时间短，只有0.05 s，且超调量最小，动态过程简单。图6给出了通过DSOGI-FLL分解出的正、负序电压波形图。

图6　DSOGI-FLL的正、负序电压波形Fig.6　Waveform of positive and negative sequence 　　　voltage under the control of DSOGI-FLL

从图6中可以看出DSOGI-FLL能够在1个周期内快速准确的将正负序分解出来。

3.2 系统仿真

图7　系统仿真结果Fig.7　Simulation results

根据图1搭建的并网逆变器的控制框图进行仿真(见图7)，其整个控制策略在Matlab/Simulink平台上实现[18]。采用2.1节的电网同步算法、相序提取算法；2.2节的参考电流、QPR电流环控制器算法；根据2.3节选取kP=0.4，kR=100，ωc=5，接入点的功率等级为10kVA，电网相电压为220V。0.25～0.3s电网正常运行；0.3s时刻A相发生接地短路故障，电压出现不平衡跌落；0.3～0.4s是未加入电压支撑策略的波形；0.4s后采用本文提出的电压支撑策略，电流限值设为20A；0.4～0.5s时，系数k2的值设为1；0.5～0.6s时，系数k2的值设为0.5；0.6～0.7s时，系数k2的值设为0。

从图7中可以看出，当0.3s时刻电网发生单相接地故障后，并网逆变器有功功率增加，在QPR控制策略下，电网电流仍能跟踪有功参考电流，保持正弦对称，但由于短路故障，电压降低，造成电流有所增大，达到36A，这时可能会超过电网电流的限值，因此有必要加入电流限制。从0.4s开始使用本文的电压支撑策略，可以明显的看出电网电压有了明显的提升；k2=1或者k2=0时，此时只有正序分量或者负序分量流入起作用，注入到电网中的电流为对称的电流；k2=0.5时，正负序分量分别起作用，此时注入到电网中的电流变的不对称(见图8)。

图8　电网线电压有效值的波形Fig.8　Waveform of grid RMS line voltages

从图8可以看出，当系数k2越接近1时，电压的提升作用越大，k2越接近0，电压越趋于对称。因此采用上述方法实现了并网逆变器的电压支撑控制策略。

4结语

本文采用DSOGI-FLL实现了电网正负序信号与频率的提取，并且采用QPR控制实现了对正负序参考电流的跟踪。在电网电压跌落情况下实现了通过并网逆变器来支撑并网点电压，仿真结果表明：在电网故障情况下，此策略通过灵活控制电网的注入电流，能够提升均衡电网电压，采用多功能并网逆变器实现电网电压支撑。

参考文献/References:

[1]REMUS T, MARCO L, PEDRO R. 光伏与风力发电系统并网变换器[M].周克亮，王政，徐青山，译.北京： 机械工业出版社，2012.

[2]MIGUEL C, JAUME M, JORGE L S,et al. Grid-Fault control scheme for Three-Phase photovoltaic inverters with adjustable power quality characteristics[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(12): 2930- 2940.

[3]ANTONIO C, MIGUEL C, JAUME M. Flexible voltage support control for three-phase distributed generation inverters under grid fault[J]. IEEE Transactions Industrial Electronics, 2013, 60(4): 1429-1441.

[4]谢泽坤,金秀章,陈海平,等.聚光光伏-光热综合利用系统性能分析[J].热力发电,2014, 43(12): 9-13.

XIE Zekun, JIN Xiuzhang, CHEN Haiping,et al. Performance analysis on a concentrating photovoltaic/solar thermal utilization system[J]. Thermal Power Ceneration, 2014,43(12):9-13.

[5]王国智,李忠良,刘芳,等.某光伏电站接入电网对电压潮流的影响[J].河北工业科技,2015,32(1): 45-49.

WANG Guozhi, LI Zhongliang, LIU Fang,et al. Impact of a photovoltaic power station connected to power grid on voltage and power flow[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2015,32(1):45-49.

[6]WANG Fei, JORGE L,DUARTE M. Pliant active and reactive power control for grid-interactive converters under unbalanced voltage dips[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(5): 1511-1521.

[7]PEDRO R, ADRIAN V. Timbus flexible active power control of distributed power generation systems during grid faults[J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2007, 54(5): 2583-2592.

[8]周京华,刘劲东,陈亚爱,等.大功率光伏逆变器的低电压穿越控制[J].电网技术,2013,37(7): 1799-1807.

ZHOU Jinghua, LIU Jindong, CHEN Yaai,et al. Low voltage ride-through control of high power inverter for gird-connection of photovoltaic generation[J]. Power System Technology,2013,37(7):1799-1807.

[9]李建文,雷亚雄,李永刚,等.并网逆变器电压支撑的参考电流值[J].电工技术学报,2015,30(10): 272-282.

LI Jianwen, LEI Yaxiong, LI Yonggang,et al. Reference current for the grid-connected inverter to support grid voltage.[J] Transactions of China Electrotechnical Society, 2015,30(10): 272-282.

[10]薛尚青, 蔡金锭. 基于二阶广义积分器的基波正负序分量检测方法[J].电力自动化设备,2011,31(11): 69-73.

XUE Shangqing, CAI Jinding. Detection of fundamental positive and negative sequence components based on second-order generalized integrator[J]. Electric Power Automation Equipment, 2011, 31(11): 69-73.

[11]RODRIGUEZ P, POU J, BERGAS J, et al. Decoupled double synchronous reference frame PLL for power converters control[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(2): 584-592.

[12]GHARTEMANI M, IRAVANI M. A method for synchronization of power electronic converters in polluted and variable frequency environments[J]. IEEE Trans on Power Systems, 2004, 19(3): 1263-1270.

[13]王宝诚, 伞国成, 郭小强,等.分布式发电系统电网同步锁相技术[J].中国电机工程学报, 2013, 33(1): 50-55.

WANG Baocheng, SAN Guocheng, GUO Xiaoqiang, et al.Grid synchronization and PLL for distributed power generation systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(1): 50-55.

[14]鲍陈磊,阮新波,王学华,等. 基于PI调节器和电容电流反馈有源阻尼的LCL型并网逆变器闭环参数设计[J].中国电机工程学报, 2012, 32(25): 133-142.

BAO Chenlei, RUAN Xinbo, WANG Xuehua,et al. Design of grid-connected inverters with LCL filter based on PI regulator and capacitor current feedback active damping[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(25): 133-142.

[15]雷亚雄,李建文,李永刚.基于准PR调节器电流双闭环LCL三相并网逆变器控制[J].电力系统保护与控制,2014,42(12):44-50.

LEI Yaxiong, LI Jianwen,LI Yonggang. Control strategy of three-phase LCL grid-connected inverter based on quasi-PR adjuster[J]. Power System Protection and Control,2014,42(12): 44-50.

[16]宣文华，牛益国，谢小英，等.基于频域分析和低通滤波的光伏并网逆变器谐振抑制研究[J].燕山大学学报，2015，39(4)：347-351.

XUAN Wenhua,NIU Yiguo,XIE Xiaoying,et al.Suppression of harmouic resouance for grid-connected PV inverter based on frequency domain analysis and low-pass filter control[J].Journal of Yanshan University,2015,39(4):347-351.

[17]焦晓红，李超.分布式发电系统并网逆变器输出功率的自适应控制[J].燕山大学学报，2014，38(2)：163-167.

JIAO Xiaohong,LI Chao.Output power adaptive control of grid-connected inverter in distributed generation system[J].Journal of Yanshan University,2014,38(2):163-167.

[18]郝莉红,王志腾,陈洪.基于MATLAB/Simulink对半主动悬架的Fuzzy-PID控制仿真研究[J].河北工业科技,2013,30(1):42-46.

HAO Lihong, WANG Zhiteng, CHEN Hong. Simulation of Fuzzy-PID control of semi-active suspension based on MATLAB/Simulink [J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2013,30(1):42-46.

Realization of voltage support control strategy of grid-connected inverter

CHEN Yisong1, SUN Wei2, ZHAO Chenguang3, LI Jianwen4

(1. State Grid Jiangxi Electric Power Company Jiujiang Power Supply Branch Company, Jiujiang, Jiangxi 332000, China; 2. State Grid Hebei Electric Power Company Baoding Power Supply Company, Baoding, Hebei 071051, China;3. State Grid Hebei Electric Power Company Handan Power Supply Company, Handan, Hebei 056000, China; 4.School of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003, China)

Abstract:In order to realize the object that the grid-connected inverter is utilized to support grid voltage in power system when the grid voltage falls, the reactive power injected into the gird is controlled according to different positive and negative reference currents injected into the grid by the grid connected inverter. The frequency lock loop of double second-order generalized integrator (DSOGI-FLL) and quasi proportional resonant (QPR) current loop control methods are adopted, and power grid synchronization, negative sequence voltage extraction and current tracking technologies are used to realize the support of the grid power voltage with accurate frequency-locking and current floating quick response. Bode diagram is analyzed to achieve the setting rule of parameters. Finally, the simulation of the whole system verifies the effectiveness of the above-mentioned control strategy.

Keywords:power electronic technology; grid voltage support; DSOGI-FLL; QPR control；grid-connected inverter

文章编号：1008-1534(2016)03-0208-06

收稿日期：2016-01-21;修回日期：2016-03-26；责任编辑：李穆

基金项目：国网江西省科技攻关项目(5218D014004M)

作者简介：陈益松(1986—)，男，福建建宁人，助理工程师，主要从事电力规划设计与设备运行管理方面的研究。通讯作者：李建文。E-mail:xiaosazzi@163.com

中图分类号：TM712

文献标志码：A

doi:10.7535/hbgykj.2016yx03005

陈益松,孙伟,赵晨光，等.并网逆变器的电压支撑控制策略的实现[J].河北工业科技,2016,33(3):208-213.

CHEN Yisong,SUN Wei,ZHAO Chenguang,et al.Realization of voltage support control strategy of grid connected inverter[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(3):208-213.