于传统控制策略的并网逆变器将在直流侧和交流侧产生大量谐波，导致功率大幅波动，系统性能恶化，因此并网逆变器的有效控制，对提高逆变型分布式电源并网能力具有重要意义。针对上述问题，本文提出了一种电压不平衡跌落下的线性无功功率控制策略。首先分析了不同控制目标对逆变器并网输出功率和电流的影响，建立统一参考电流矢量表达式，然后结合正负序双电流独立内环控制，应用瞬时功率理论，从而实现所提出的控制策略。该控制策略在电网不平衡跌落情况下能有效抑制并网电流谐波，调整并网点电压，降低系统不平衡度，从而提高逆变器并网能力。仿真结果验证了所提出方法的有效性和适用性。

关键词：电网不平衡  并网逆变器  功率脉动  并网控制  正负序电流控制

式中，(E⁺)²=(e_d⁺)²+(e_q⁺)²，(E^¯ )²=(e_d^¯ )²+(e_q^¯ )²，0≤ k ≤1,0≤ λ ≤1。

分析式(10)可得，选取不同参数，可实现3种不同控制目标。当k = 1、λ = 0，实现控制目标1；当k = 0、λ = 0，实现控制目标2；当k = 1、λ = 1，实现控制目标3。参数λ主要控制负序电流，当λ=1时，参考电流矢量不含负序分量，但并网有功功率和无功功率都存在2倍频脉动。而λ=0时，通过调节k值可有效控制并网有功功率和无功功率的2倍频脉动。但这3种控制目标都是极端情况，而且互相冲突，一种控制目标性能的改善会导致另一种性能的恶化^[15]。在实际运用中，参数k、λ可以在0~1之间变化，兼顾多个控制指标。

图2  正负序双电流内环独立控制图

Fig.2  Positive and negative sequence current loop independent control

正负序双电流内环独立控制结构图如图2所示。在相同电压不平衡度的情况下，使用正负序电流内环独立控制的逆变器输出电流保持了正弦特性，其谐波含量也远低于普通控制，同相电流分析结果如图3所示。

图3  电压不平衡时逆变器输出的电流波形

Fig.3  Output current of inverter under unbalanced voltage

 

3.2  功率外环控制策略

逆变器功率参考值根据外部条件设定，有功功率一般根据分布式电源(distributed generator,DG)的容量，无功功率一般为0。若DG接在低压系统，在IEEE Std.1547中DG接入的允许电压为额定电压的88%到110%，法国标准是90%到106%。DG接入会使公共连接点（point of common coupling, PCC）电压升高，可能超过允许电压，对此PCC吸收无功功率降低电压。不对称故障会使电压降低，可能低于允许电压，对此PCC注入无功功率提高电压。电网不平衡情况下，通过调节无功功率降低负序电压分量，从而降低负序电压不平衡程度。

文献[16]提出线性无功功率控制，无功功率与电压关系如公式(11)与(12)所示，式中电压使用标幺值，功率使用有名值。

                (11)

  (12)

公式(12)中Q_ref为无功功率参考值，U为当前的电压值，S为DG总容量，有功功率参考值为

(13)

若有功功率P_n为10kW，无功功率Q为10kvar，S为14.14kVA，电压允许范围采用法国标准，公式(12)与公式(13)对应的图如图4所示。

图4 功率参考值与电压关系图

Fig. 4 Relationship between reference power and voltage

线性无功功率控制可以根据电网电压变化改变无功的输出，通过对电网注入或吸收无功调整PCC电压。根据有功功率、无功功率的给定值，经式(10）可计算出正负序参考电流矢量。

4          仿真验证

为验证电网不平衡情况下所提出控制策略的有效性，本节进行了仿真研究。采用Matlab/Simulink搭建图5所示的并网逆变器模型。系统仿真参数如表1所示。

 

 

 

图5  并网逆变器总控制框图

Fig. 5  Overall control block diagram of the grid-connected inverter

表1  仿真参数

Tab 1  Simulation parameters

(a) 控制目标1

(b) 控制目标2

(c) 控制目标3

图6 3种不平衡控制目标的仿真结果波形

Fig. 6 Simulation waveforms of three kinds of unbalanced control objectives

 

表2  3种不平衡控制目标的仿真结果数据

Tab 2  Simulation results for three kinds of unbalanced control objectives

三种控制策略都有效抑制了并网电流谐波，目标1消除了逆变型分布式电源向电网输送有功功率的2倍频脉动，PCC点输出电流虽不平衡但正弦度较好，THD为1.71%，并网电流不平衡度为14.32%，同时直流侧电压脉动基本消除，但向电网输送的无功功率脉动上升为±32.5%；控制目标2消除了逆变型分布式电源向电网输送无功功率的2倍频脉动，PCC点输出电流虽不平衡但正弦度较好，THD=3.28%，并网电流不平衡度为16.25%，但直流侧电压脉动为±0.24%，同时向电网输送的有功功率脉动上升为±31.5%；控制目标3使PCC点输出正弦对称电流，THD=2.27%，但逆变型分布式电源向电网输送的有功功率和无功功率脉动较大，分别为±17.6%和±18.4%，同时直流侧电压脉动为±0.15%。

图7  参数k、λ分别从0变化到1时仿真结果图

Fig. 7  Simulation results with k and λ from 0 to 1

图7为参考电流矢量表达式中k和λ分别从0变化到1时的仿真结果。当λ = 0，使k从0到1变化，有功功率脉动不断减少，直流侧电压脉动也不断减少。由式(5)可知，系数P_c2，P_s2，Q_c2和Q_s2是由电压不平衡引起，而有功功率被输送到直流侧并决定直流侧电压等级。因此，如果P_c2，P_s2不为零，直流侧电压会产生2倍频脉动，为保持直流侧电压恒定，系数P_c2，P_s2必须为零。由仿真结果可以得到直流侧电压脉动幅度正比于有功功率脉动。而当k = 0，使λ从0到1变化，并网逆变器输出无功功率明显增大。图7较好地验证了前面的理论分析，参考电流矢量表达式中的参数k和λ对并网质量有很大影响，可根据实际应用情况来优化这两个参数，从而实现3种控制目标之间的协调优化，使并网逆变器并网系统整体性能达到最优。

其次，在此基础上加入线性无功功率控制，本文以抑制直流侧电压和有功功率波动为控制目标（即采用控制目标1）为例，当电网发生三相不平衡的电压凹陷，结合正负序双电流内环独立控制与线性无功功率控制的逆变器输出最大无功功率，能有效提高PCC的电压，并降低电压不平衡度。PCC电压标幺值和负序电压值如图8与图9所示。负序电压不平衡度如表3所示。

表3  不同控制下的负序电压不平衡度

Tab 3  Negative sequence voltage unbalance degree under different control strategy

控制策略	电压正序分量均方根	电压负序分量均方根	负序电压 不平衡度εU2
1	242.7	84.5	34.82%
2	250.15	82.14	32.84%
3	257.3	80.28	31.2%

  图8  不平衡电压凹陷

Fig. 8  Unbalanced voltage sag

图9  不平衡电压凹陷负序电压图

Fig. 9  Negative sequence voltage of unbalanced voltage sag

图中U₁为没有接入分布式电源时PCC的电压；U₂为电流内环正负序控制和功率外环逆变器固定发出10kW时PCC的电压；U₃为电流内环正负序控制和功率外环线性无功功率控制时逆变器PCC的电压（电流普通控制策略不能满足并网电流谐波要求，故不考虑）。仿真结果表明，当发生不平衡电压凹陷时，U2与U1相比可知分布式电源并网会引起PCC电压的升高，U3与U2相比更接近于额定电压。因此所提出的控制策略不仅能降低因DG并网引起的电压升高，而且能提高因不平衡电压凹陷引起的电压跌落，有效控制并网电压接近额定值的同时，也能降低并网点负序电压，降低系统不平衡度。因此该控制策略能更有效地调整分布式电源并网能力。

5          结论

本文通过对电网不平衡条件下并网逆变器的数学模型分析，可知并网逆变器控制无法同时实现消除有功功率脉动、消除负序电流和消除无功功率脉动3种控制目标的问题，从而建立了统一参考电流矢量表达式，结合线性无功功率控制与基于统一表达式的正负序双电流内环独立控制，在电网不平衡情况下，分析了3种控制目标对逆变型分布式电源并网的影响，并能有效调整PCC并网电压，降低电压不平衡度。仿真结果表明，在电网不平衡情况下，文中的控制方法比普通控制提高了逆变型分布式电源并网能力，验证了该方法的有效性与正确性。