电网不对称故障时光伏逆变器控制方法分析

朱联联，马骁驰，刘媛，李保钢，刘瑞

（天津电气科学研究院有限公司,天津，300301）

1 并网光伏逆变器的电路组成结构和常用的控制方法

1.1 并网光伏逆变器的电路组成结构

现在我国生产的大功率并网光伏逆变器采用单级式的拓扑结构具有较低的成本、很少的功率消耗、简单的组成结构等特点，以单级式并网型光伏逆变器为典型，光伏板阵列吸收太阳能产生的电能向逆变器直流母线充电，并网逆变器把直流母线侧的直流电能转换成频率为工频的交流电，再通过变压器的升压操作将并网逆变器输出侧的电压变成满足并网要求的额定电压，同时将光伏发电系统与电网之间进行电气隔离，利用防反二极管来防止将电网的电能反送给光伏发电系统。

1.2 并网光伏逆变器常用的控制方法

单级并网光伏逆变器大多采用以电网电压值为基础的定向矢量控制的方法，把光伏逆变器器直流母线电压值（Vdc）与直流母线电流值（Idc）输入至最大最大功率追踪控制器中，进行运算处理后得到中环参考值，直流母线电压值与参考值的差值经过比例积分控制调节获得内环电流的d轴分量参考值，参考值和逆变器输出电流d轴分量的差值通电流环比例积控制器进行调节并计算得出逆变器输出侧电压。按着一样的道理，对内环电流的q轴分量进行控制来改变无功功率。当在电压下降的时间段内，逆变器输出侧电流的主要成分为有功分量电流，所以，为使输出侧电流不越过1.1倍额定电流的值，应该把电流内环的有功电流给定值控制在一定合理数值之内。根据实际需要，可以把逆变器输出电流d轴分量调低来达到留出电流裕度，以此来输出无功电流。利用标么值的方式，可设无功电流给定值为0时，将内环电流d轴分量参考值限定在0-1.1之间。

除此之外，最大功率追踪控制器的外环输出直流电压指令的改变决定着并网光伏逆变器直流侧电压的变化。所以在脉冲宽度调制生成工频交流电时应关注的是，如果采用正弦脉宽调制，需要把得出的逆变器输出电压d轴分量与d轴分量除以一半的直流母线电压来使之成为标量，之后触发脉冲的再次生成。如果应用空间矢量脉宽调制，可以不对逆变器输出电压d轴分量与d轴分量进行处理。

2 并网型光伏逆变器在电网不对称故障条件动态特性分析

通过对并网型光伏逆变器的主电路经过理论公式的计算可以看出，逆变器输出的有功功率以及无功功率都存在着二倍频的震荡现象，无论采用何种方式控制正负序电流，都无法实现有功和无功功率的二倍频分量一起为0。由于有功功率发生的波动会导致直流母线侧电压的二倍频扰动，而进一步造成直流母线侧电压的稳定性，还有逆变器的运行情况以及交流电网的电流质量状况受负序电流存在的影响。所以在电网电网不对称故障条件应该控制有功功率二倍频波动和抑制负序电流。

3 以模型预测电流为基础的控制方法

为在发生电网发生不对称故障时能让逆变器的输出侧电流值可以正确的跟随正、负序电流参考值，可利用电流调节器来完成这一要求。如果电网出现电压不对称，两相静止坐标系中逆变器输出侧电流值具有同步角速度转的正序分量、同步角速度反转的负序分量。为了能在两相静止坐标系中对正负序电流分量进行控制，而且不对电网侧的正负序电流采取分离处理，还要缩短电流在正负序分离时所导致的时间延长和误差存在，可采用以模型预测电流为基础的控制方法。逆变器的输出侧电压经过逻辑开关函数、三相座标系转换二相座标系、离散化的理论公式推导得出逆变器输出电压与开关状态组合关系公式做为电流预测控制方法的预测模型，从中可以发现k时刻的输出电流值Iα和Iβ可以被预测到，就可以完成预测模型的函数。由于变器输出电压与开关状态组合关系有8种状态，可以评价8个电压量所在的状态，选择一种让预测模型的函数得到最小值所要求的电压量，此量对应那一种开关状态，就让其对下一个采样周期起到决定作用。

4 模型预测电流控制方法效果分析

对模型预测电流控制方法进行应用分析发现，该控制方法对电流的控制精度与电感数值参数有关，光伏发电系统在实际运行情况发生变化时电感参数值也会随着改变，电感参数值地改变影响着模型预测电流控制效果。再对A相电流总谐波畸变率进行分析时发现，如果主电路电感值变大时，A相电流总谐波畸变率就会相对地变小，当主电路电感参数值与控制器电感参数值不相同时，A相电流总谐波畸变率误差很小，由此可以看出，以模型预测电流为基础的并网光伏逆变器控制方法，当电网参数发生改变的条件下逆变器中控制元器件的参数的是否发生改变并不影响输出电流值，表明该控制方法的稳定性比较好。处理电网电压三相对称情况下，并网光伏逆变器的有功功率和无功功率稳定时，分量的电流值没有变化，同时逆变器输出侧的电流处于三相对称的状态。但是当输出侧的有功功率与无功功率处于变动时，分量电流能对参考电流值进行很好的保持一致，把三相电流值快速地达到稳定状态。

对输出的有功功率进行对比时发现，如果电网发生A相短路故障，采用对称控制办法时，由于还在采用正序旋转坐标系的比例积分控制方法，不对称的电压与电流会产生相序分解，逆变器输出侧有功功率起伏挺大，经过稳定之后的二次谐波幅值仍处于很高水不，当采用模型预测电流控制方法后二次谐波幅值与采用对称控制方法相比减少了76%，所以，对有功功率的抑制起到了很好的作用。

对直流母线侧电压对比中可以看出，如果有功功率值出现起伏较小时，直流母线侧的电压改变量也变得很少，当有功功率二次谐波的幅值下降74%左右时，直流母线侧电压值的二次谐波值也缩小13%，如果应用模型预测电流控制方法，，二次谐波幅值会缩小到11%，从理论上来讲符合要求。

采用对称控制的方法其变频器的输出电流畸变较大，每相的输出电流的电流总谐波畸变率很高，如果采用以模型预测电流为基础的控制方法会把电流总谐波畸变率降低到极小的数值内，可见该控制方法不但对逆变器输出侧有功功率和直流母线电压起伏进行抑制，还能改善电网运行质量。

5 结束语

本文在并网光伏逆变器在电网中出现不对称故障时进行动态分析，提出了以模型预测电流为基础的控制方法，并在应用中进行效果分析，表明以模型预测电流为基础的控制方法具有很好的动态稳定性，可以对电网不对称故障下的有功功率变动和电流负序分量进行可靠的控制，从而改善电流运行质量，在实际应用中具有很好的参考价值。

参考文献

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