电网不平衡条件下光伏逆变器控制策略研究李梦文

电网不平衡条件下光伏逆变器控制策略研究李梦文

李梦文

（湖北工业大学湖北武汉430068）

摘要：随着社会经济的发展，太阳能、风能等新能源得到了大量开发和利用，传统化石能源被广泛替代。光伏发电技术是太阳能资源利用的重要途径，在电网不平衡条件下提高光伏系统的稳定性可靠性运行成为研究的热点。在光伏逆变器中，要把握其主要的控制原理和控制方式，这样才能保证电网不平衡条件下可以进行光伏逆变器的有效控制管理，提高光伏系统对电网波动的适应性。

关键词：电网不平衡；光伏逆变器；控制策略

在电力电子技术行业中，光伏逆变器是一个重要的分支，电子元器件和控制技术对其发展产生决定性影响。而光伏发电等新能源的大规模应用，又推动了电力电子技术的发展。在电网不平衡条件下，要进行光伏逆变器的控制就必须把握有效的控制方式，所以必须要先了解光伏逆变器的主要工作原理。

一、光伏逆变器及其工作原理

（一）光伏逆变器

光伏逆变器也成为电源调整器，根据其在光伏发电系统中的不同用途可以分为两种：独立型电源用和并网用；而根据不同的波形调制方式又包括方波逆变器、阶梯波逆变器、正弦波逆变器和组合式三相逆变器。在光伏并网逆变器中，变压器型逆变器和无变变压器型逆变器的划分依据就是有无变压器。其中整流是指将交流电能向直流电能转换的过程，而完成整流的电路就是整流电路，整流设备或整流器是实现整流过程的装置。而逆变就是直流电能向交流电能转换的过程，完成逆变功能的电路就是逆变电路，逆变设备或逆变器也就是进行逆变过程需要的装置[1]。逆变器的类型繁多，在具体机种和容量选择时必须要慎重。

（二）光伏逆变器的工作原理

igbt等功率开关器件构成了逆变器，它主要是进行电路控制，保证开关元件可以进行有规律的连续开通或关断，实现输出电压的极性正负交替，最终完成直流输入向交流输出的转换。在光伏发电系统中，通常逆变器会通过各种优化的脉冲宽度调制策略实现，并跟踪给定电流波形，最终转换为正弦波交流电，跟踪太阳能电池的最大功率点就可以进行功率控制。如果光伏发电装置中运用的是三相全桥式逆变电路，逆变器的主电路就可以运用电压型，因为太阳能电池是电压源，所以在进行外电网联结时就是电压型电流控制方式。

二、电网不平衡条件下光伏逆变器的控制方法

（一）电网不平衡的危害

如果电网系统不平衡，线路的电能损耗就会增加，通过线路导线时因为有阻抗，就增加了电能损耗，并与通过电流的平方成正比。而且也使得配电变压器中的电能损耗增加，三相负载不平衡运行，就会增加配变损耗。电网不平衡运行也减少了配变出力，因为三相负载不平衡工运行，负载比较轻的一相就辉有富余容量，就会减少配变出力，使得过载能力降低，容易引发配变发热，甚至配变烧损的情况。同时也容易使得配变产生零序电流，并随三相负载不平衡进行变化，其不平衡度越大零序电流也就越大，增加配变损耗。电网不平衡运行更会影响用电设备的安全运行，使得各相输出的电流不等，配变输出电压也不平衡，此时中性线就会产生电流，出现阻抗压降，各相电压也就会出现变化。而且负载重的一相电压降低，负载轻的一相电压升高，此时电压高的一相就容易烧坏用户的用电设备，而电压低的一相设备也难以正常使用。电网不平衡还会降低电动机效率，使得负序电压和正序电压产生的旋转磁场相反，并进行制动，减少电动机的输出功率，最终影响电动机的效率和电网安全运行。

（二）电网不平衡条件下光伏逆变器的控制方法

一般来说根据控制方式来划分，光伏并网逆变器可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制四种方式。在并网时，逆变器的输入控制会运用电压源控制方式，如果此时输入逆变器是电流源，必须要在直流侧串联一大电感，这样才能保证直流输入电流的稳定性。而很多并网逆变器主要运用的还是电压源输入方式，因为电感会影响系统动态响应速度。对逆变器的不同控制可以分为电压控制和电流控制两种，当运用电压控制时，就与2个电压源并联相似，而要提高系统运行的稳定性，此时还需要用到锁相控制技术，保证逆变器输出与市电电网电压同步。当然，也可以对逆变器输出电压的大小和相移进行调整，使得控制系统可以进行有功和无功功率的输出。在逆变器输出中运用电流控制时，只需要对逆变器的输出电流跟踪电网电压进行控制，就可以实现其并联运行[3]。因为锁相回路的响应慢，就会影响逆变器输出电压值的精确性，并伴有环流出现等不足。一般来说，电网不平衡条件下光伏逆变器运用的控制方式是电压源输入和电流源输出的控制方式。

三、电网不平衡条件下光伏逆变器控制策略

（一）电网VOC

假设I为逆变器侧电流矢量，id、iq分别为逆变器侧电流矢量I在旋转坐标系下的分量，则电网电压不变，控制id、iq就可以分别控制并网逆变器输出有功和无功功率。如果iq=0，逆变器就是全单位功率因数运行。VOC矢量控制方法方便操作实现，动态响应特性好，应用比较广泛。如果电网电压中有谐波等干扰，电网电压基波矢量相角的检测就会受到影响，使得VOC方案矢量定向的准确性和控制性能比较差，甚至出现控制系统振荡的情况[4]。

（二）VF0C

将并网逆变器的交流侧与虚拟交流电动机等效起来，经过积分三相电网电压矢量E所得矢量就是&=∫Edt，这就可以看做是虚拟交流电动机的气隙磁链&，也是虚拟磁链定向的出发点。但是因为积分的通滤波比较低，必须要克服电网电压谐波带来的磁链影响，这样才能提高矢量定向的准确性。因此，可以将虚拟磁链&与同步旋转坐标系d轴重合，此时虚拟磁链&就会比电网电压矢量E滞后90。VFOC必须要克服积分漂移，提高矢量定向的准确性，所以积分器可以换作低通滤波器。此时初始时刻引起的直流偏量的积分效就会被完全抑制，电网不平衡对矢量定向的准确性和控制性能带来的影响就会被抑制，这是VOC的改进方案。

（三）无差拍控制

无差拍控制是一种基于预测脉宽调制的控制方法，其控制原理是：每个开关周期开始时刻进行采样，此时并网逆变器的输出电流为i，对于下一周期开始时刻的逆变器并网侧电流给定值i*就会直接进行预测。通过i—i*的差值来计算开关器件的开关时间，使得下一周期开始时刻i＝i*。虽然其计算量比较大，但是具有比较快的开关频率恒定和动态响应，在光伏并网系统进行数字控制非常适合。而且这一控制方法的跟踪性能良好，实时控制、电流响应快，开关频率固定，但是其控制精度太过于依赖系统参数，系统容易进入不稳定运行区域，使得系统出现振荡。在各种环境下进行稳定工作，无差拍控制有利于提高系统输出电能的质量。

（四）重复控制

这一控制方法的控制理论是内膜原理，如果前一基波周期中出现的波形畸变在下一个基波周期的同一时间重复出现，就可以根据其给定信号和反馈信号误差对其所需的校正信号进行确定。在下一周期要消除基波中的重复畸变，该控制信号会被加到原控制信号上。而且逆变器自身的死区效应和非线性负载也会产生畸变，重复控制有利于降低电流的畸变率。重复控制要延时一个周期，所以难以满足系统的快速性要求，使得其动态响应差，在应用时可以与其他控制方法结合起来使用，对其系统输出进行改善。

结语：

在某些条件下电网会发生不平衡故障，影响光伏逆变器的运行，此时输出并网电流中的谐波含量会增大，产生电网污染，严重时会导致光伏逆变器无法正常工作和损坏元器件的情况。在这样的背景下，必须要探索电网不平衡条件下光伏逆变器控制的有效策略，以便发生故障时可以及时进行控制调整。因此，对于光伏逆变器的主要工作原理和控制方式必须要熟练把握，及时抑制逆变电路中谐波的产生，提高光伏逆变器的控制效果。

参考文献：

[1]高正中,王立志,赵连成等.电网不平衡条件下光伏逆变器控制策略研究[J].电力电容器与无功补偿,2016,37（1）：71-75.

[2]周皓,童朝南,刘宝其等.电网不平衡条件下的光伏并网发电控制策略[J].电力系统自动化,2015,39（12）：27-32.

[3]郭小强,张学,卢志刚等.不平衡电网电压下光伏并网逆变器功率/电流质量协调控制策略[J].中国电机工程学报,2014,34（3）：346-353.

[4]王京保,曾国宏,荆龙.电压不对称故障下光伏逆变器低电压穿越技术[J].电气传动,2013,43（12）：24-27.

基金项目：湖北省科技支撑计划项目（2015BAA118）；湖北工业大学太阳能高校利用及储能运行控制湖北省重点实验室面上项目（HBSEES201709）”

作者简介

李梦文（1986.8），性别：女；籍贯：湖北；民族：汉；学历：本科；职称：助理工程师；职务：电气工程师；研究方向：控制工程；