《装备制造技术￣２０１７年第０６期 蓬囊 微电网不平衡电压的并网逆变器控制策略 林小峰，李福培，刘斌 （广西大学电气工程学院，广西南宁５３０００４） 摘要：由于微电网中有大量的单相负载运行，其三相电压容易出现不平衡。在微电网电压不平衡下，并网逆变器传统的 锁相环（ＰＬＬ）控制输出电流产生大量谐波，为减少输出电流谐波，提出一种基于全通滤波器的无锁相环直接功率控制策 略。在微电网电压不平衡条件下对所提出的制策略进行验证，实验结果证明了该控制算法的有效性。 关键词：并网逆变器；电压不平衡；直接功率控制；无锁相环 中图分类号：ＴＭ７２７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１ ６７２—５４５Ｘ（２０１ ７）０６—０１ ６１—０３ 微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、 变流器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发 配电系统［】Ｊ。随着化石燃料的减少，新能源引起人们 广泛关注，微电网技术也得到了快速发展。 谐波。 直接功率控制［６１具有功率因数高，算法和系统结 构简单，动态性能好的优点。本文采用无锁相环直接 功率控制策略［７］，通过全通滤波器对同步旋转坐标系 逆变器是微电网的一个重要的组成部分，当逆 下的电压量进行９０。相移的功能提取微电网电压基 变器在微电网的支路中工作时，对逆变器并网的基 波正序分量。再结合预设旋转频率法计算得到有功、 本要求是输出与微电网电压同频、同相嘲的交流电， 无功电流参考值，省去了ＰＬＬ，数字实现简单，实时陛 锁相环技术是实现同步的关键，基于同步坐标系的 好，能很好解决逆变器有锁相环控制导致的输出电 软件锁相环（ｓｉｎｇｌｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒａｍｅ ｆｏｒ 流谐波含量大的问题。 ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ，ＳＳＲＦ ＳＰＬＬ）是目前应用最 为广泛的锁相环技术。微电网电压不平衡时，电压负 １微电网不平衡电压对锁相环产生的影响 序分量会在幽坐标系下产生二倍频的交流分量，导 致ＰＬＬ计算锁相角的过程会产生误差，影响逆变器 为了使并网逆变器的输出电流和微电网电压的 的控制精度，致使逆变器输出三相电流不平衡，并伴 随有大量谐波，此时电能质量已不能满足要求。为了 解决逆变器输出电流含量谐波大的问题，必须研究 微电网不平衡电压下并网逆变器的控制策略。 传统的提取电网电压正序分量的方法有：文献［３】 提出的解耦的双同步坐标系锁相环法（Ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｆｒａｍｅ ＰＬＬ，ＤＤＳＲＦ— 频率相位保持一致，常使用ＰＬＬ技术获取微电网电 压的频率相位信息。ＰＬＬ能跟踪微电网电压的基波正 序分量，能有效地适用于微电网电压平衡时频率、相 位及幅值的检测。如图１所示，采样网侧电压 转化成幽两相旋转坐标系下的ｄ轴和ｑ轴分量， 将ｑ轴分量与给定值ｕ ＝０进行比较，将比较值送 往ＰＩ调节器进行调节，输出值加上初始工频角频率 再经过积分环节得到锁相输出相位０ ，此时ＰＬＬ ，ＰＬＬ），此方法能有效提取微电网电压正序分量，但是 计算大，有２个旋转坐标系，４个低通滤波器，结构复 的输出相位０ 锁定微电网电压相位０． 杂。文献［４］提出的Ｔ／４周期延时法，此方法计算量小， 稳定性高，但是前提是Ｔ／４周期内电网的故障类型相 同，且需要较大的存储空间存储Ｔ／４周期的数据。文 献［５】提出的基于全通滤器改进的三相ｄｑ锁相技术， 该方法不能消除电网谐波对ＰＬＬ的影响。上述方法 都用到了锁相环结构，输出电流都会产生不同程度的 Ｕ Ｕｂ Ｕ 图１ ＳＳＲＦＳＰＬＬ原理 收稿日期：２０１７—０３—２８ 作者介绍：林小峰（１９５５一），男，广西陆川人，教授，博士生导师，研究领域为新能源换转与控制，微电网控制与运行；李福培 （１９９０一），男，广西桂平人，研究生，研究领域为新能源换转与控制；刘斌（１９８２一），男，湖南会同人，博士，讲师，研究方 向为电力电子与变流技术，新能源换转与控制。 １６１ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．０６，２０１ ７ 微电网电压不平衡量表示为： Ｕａ＝（１＋￣）ＵｍＣＯＳＯ 系统结构简单的优点。在微电网电压不平衡条件下， 采用无ＰＬＬ直接功率控制解决ＰＬＬ控制造成逆变器 定旋转频率的相角和电网相角不一定重合，所以通 式中， 为微电网电压幅值， Ａ、 为常量。 将微电网电压Ｕ。， 变换到幽同步旋转坐标 过给定的相角变换到面坐标系下的分量不再对应 １１，ｂ（１＋Ｘ）Ｕｍｃｏｓ（ 一孚） ｕ ＝（１＋ ） ｃ。ｓ（８＋孚） （１） 输出电流谐波含量大的问题。给定一个旋转频率与 电网频率相同的角频率参与坐标变换，由于给定旋 转频率相角０ ＝ｔｏｔ＋（Ｉ）。的初相角是随机的，因此给 系下，取ｄ轴分量得： Ｕｑ＝Ｕｍ［一（手＋叼＋｝Ａ＋｝ ）ｃ。ｓ８ ｓｉｎ ＋孚（Ａ— ）ｓｉｎ ｎ 一孚（Ａ— ）ｃ。ｓ ｃ。ｓ ＋｝（２＋Ａ＋￣＇）ｓｉｎＯ ｃｏｓ０ ］ （２） ＳＳＲＦ ＳＰＬＬ将 通过ＰＩ调节器调节到０，有： ＝０ （３） 由式（２）、（３）解出锁相角０’的正余弦为式（４）。 将锁相角０ 的正余弦信号使用到幽转ａｂｃ的 变换矩阵中。不平衡时，假定有功电流参考值ｉ ＝ ， 无功电流参考值 。＝０，反馈值能够跟踪给定值，则 并网逆变器输出的电流为式（５）． 孚ｃ。酬¨） ３ ｓｉｎ￣（２＋州） 。 ： ： ： ： ； ． Ｖ［４ｘ￣ｅｏｓＯ（ａ—ｆ）＋亭ｓｉ胡（２＋＾＋ｆ） 础（争＋ ＋｝＾＋｝ｆ）一 ｍ ＾一ｆ）Ｐ （４） （５） 从式（５）可以看出，微电网不平衡时锁相角参与 坐标变换，会使逆变器输出进网电流含有大量谐波。 而采取无锁相环的方式可以很好地解决微电网电压 不平衡造成电流谐波含量大的问题。 ２无锁相环直接功率控制 直接功率控制能直接对逆变器的有功功率和无 功功率进行控制，无需解耦环节，具有高功率因数， １６２ 有功电流和无功电流，电流参考ｉ 和 。只能由由坐 标系下的电压基波正序分量 ：、 ：和给定有功功率 Ｐ 、无功功率Ｑ 计算得到。 一手（丁 ＋ （ ） （６） ｑ— ｌ３２（ （Ｍ：）ｚ＋（ ：）ｚ）／ 要使功率因数为１，则Ｑ为０，则给定的电流参 考 和 可简化为： 手（ｌ 丽）』 （７） 。 一＝ ＼３（ （ ）ｚ十（ｕ：）ｚ）』 全通滤波器能对角频率和微电网角频率相等的 交流分量进行９Ｏ。相移，再通过简单的数学运算即可 得到ｄｑ坐标系下电压基波正序分量。将正常的三相 电压分解成正序、负序和零序分量： ＩＭ。＝ ｃｏｓ０＋＋ＵｍｃｏｓＯ一＋ ｔｔｂ＝ ｃ。ｓ（ 一孚）＋ ｃ。ｓ（ 一一孚）＋ （８） ！ｕ ＝ ｃｏｓ（ ＋孕）＋ ｃ。ｓ（ 一＋孚） 式中：上标＋、一分别表示正序和负量分量；正序 电压和负序电压相角分别为 ＝ｔｏｔ＋ 、 ＝（￡） ＋ 一；零序分量为 ：（Ｈ。＋‰＋ｕｃ）／３． ｃｏｓ ［（ｔｏ－ａ，，曲 、．）ｔ＋ ］ ＋ ［ ］ ㈩ 三相电压由ａｂｃ坐标系变换到由０坐标系下时， ０轴分量为０，略去不计。所以在ｄｑＯ坐标系下的电 压 由为式（９）． 因为变换矩阵角频率 与电网电压的基波频率 一《装备制造技术｝２０１７年第０６期 相等，式（９）变为： ３实验结果 ａ Ｕｄ ｃｏｓ （２ ｔｏｔ＋￣－）一 曲…Ｌｗｃ Ｊ ］ 在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真中，把微电网Ａ相电压降低 １０％，进行传统ＰＬＬ控制和基于全通滤波器的无ＰＬＬ 直接功率控制的仿真实验。结果如图４、图５． （１０） 不平衡电压经过给定角频率∞ 的Ｐａｒｋ变换后， 基波正序分量是直流量，基波负序分量是含有２倍 频的交流分量，此负序交流分量由式（７）引入电流基 准计算中，使ＰＩ调节器无法做到无静差调节。为此引 入全通滤波器滤去２倍频的负序交流分量。 全通滤波器对直流量没有影响，对基波信号（基 》枷Ｆ＝＝＝＝ 二＝ 二二 ＝二＝＝二 ０Ｉ：二二二二 ：二二二：二 ：二二二二：：：二二：二＝ｊ：二二二：：二＝：二二 波频率为 ）实现９Ｏ。的相移： ［ ［ｃｏｓ （２ｗ ｔ ］ ＝ ［ ［ｓｉｎ （２ｗ ｔ…＋￣ｐ－一） ］ “：可由／Ｘｄ－，／，ｑ、 和 通过简单的数学运算得到。 ｌ ＝ （ ＋ ＋ 一 ）＝ ｃｏｓ ｛ － ｔ （ ）１２ Ｉ ：＝｝（一Ｍ ＋ ＋ 一 ）＝Ｕ＋ｓｉｎｑ￣ ｕ；由Ｕｄ－， 和“；在ｄ９坐标系下矢量合成，如 图２、图３所示。 ． 图２合成“：、 的向量图 图３基于全通滤波器的无ＰＬＬ直接功率控制框图 通过式（７）计算得到电流参考ｉ 和ｉ 值和网侧 电流直流量ｉｄ，ｉ 进行比较，经过ＰＩ调节和给定旋转 频率的反Ｐａｒｋ变换，再通过空间矢量调制获得控制 逆变器输出的开关控制信号。基于全通滤波器的无 ＰＬＬ直接功率控制框图如图３． ． ｉ—１０ 图４传统ＰＬＬ控制仿真波形 》４００Ｆ二二二 二＝＝二二二＝＝ 二二二＝＝二二二＝＝二二二＝二＝＝＝】 ０Ｌ：二二二＝：：：一：：＝：二二二二 ：：：二．二：二：：：：二：：二：： ．：二：二：＝：：二：： ：一＝二：二二 ：＝：：：：二：二．＝：二：一：ｊ：ｆ ｉ ４０ ＿４ —— ——— —— ｉ＿—— ——１ —石．４６ 图５基于全通滤波器的无ＰＬＬ直接功率控制仿真波形 由图４得，在微电网电压不平衡条件下，并网逆 变器通过传统ＰＬＬ控制，变换到 坐标系下的电压 分量是脉动直流量；由图５得，通过基于全通滤波器 的无ＰＬＬ直接功率控制变换幽坐标系下的电压分 量是稳定的直流量，仿真结果符合理论分析。并网逆 变器在传统ＰＬＬ控制下，进网电流谐波含量为 ５．１４％；在基于全通滤波器的无ＰＬＬ直接功率控制 下，进网电流谐波含量为０．３２％． 利用可编程交流电源Ｃｈｒｏｍａ６１５１２模拟不平衡 的微电网电压，将微电网Ａ相电压降低１０％．把三相 光伏逆变器、可编程交流电源Ｃｈｒｏｍａ６１５１２、负载并 联在一起进行不平衡实验，实物波形如图６、图７． 萎 — … 一＾ｌ ＼ ／ 号 …． 一 √ｎ… … －Ｖ 一 一Ｖ ｔ（１ｏｒｅｓ／ｄｉ＇０ｒ） 图６传统ＰＬＬ控制实物波形 气… 毒 Ｖ ｒ 图７基于全通滤波器的无ＰＬＬ直接功率控制实物波形 （下转第１９１页） １６３ 《装备制造技术｝２０１７年第０６期 Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａｅｒｏ——Ｅｎｇｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ａｔ Ｈｏｍｅ ａｎｄ Ａｂｒｏａｄ ＴＡＮＧ Ｙｕａｎ－ｈｅｎｇ，ＺＯＵ Ｇａｎｇ，ＬＩＵ Ｚｈｅｎ—ｇａｎｇ （Ｎａｖａｌ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｑｉｎｇｄａｏ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６０４１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ， ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍａｉｎ ｂｅａｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｓｅａｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ （上接第１６３页） 由图４的仿真结果和图６的实验结果可知传统 ＰＬＬ控制的输出电流发生畸变，谐波含量高；由图５ 参考文献：【１１杨新法，苏剑，吕志鹏，等．微电网技术综述［Ｊ】．中国电机 的仿真结果和图７的实验结果可知基于全通滤波器 工程学报，２０１４（１）：５７—７０． 的无ＰＬＬ直接功率控制的输出电流谐波含量低，正 【２】孙文山．基于ＳＶＰＷＭ的三相光伏并网逆变器的研究与设 弦度高。可见，在微电网电压不平衡条件下，并网逆 计［Ｄ】．天津：天津大学，２０１２． 变波中结实控 变器在基于全通滤波器的无ＰＬＬ直接功率控制的进 【３］Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ Ｐ，Ｐｏｕ Ｊ，Ｂｅｒｇａｓ Ｊ，ｅｔａ１．Ｄｅｃｏｕ—ｐｉｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ 网电流谐波含量比传统ＰＬＬ控制低。 Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｆｒａ—ｍｅ ＰＬＬｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ『Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００７，２２ ４结论 为了降低微电网不平衡电压条件下的并网逆 器输出电流的谐波含量，本文提出了基于全通滤 器的无ＰＬＬ直接功率控制策略。在直接功率控制 通过全通滤波器提取微电网电压基波正序分量， （２）：５８４—５９２． ［４］Ｓｖｅｎｓｓｏｎ Ｊ，Ｂｏｎｇｉｏｍｏ Ｍ，Ｓａｎｎｉｎｏ Ａ．Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｌａｙｅｄ Ｓｉｇ－ｎａｌ Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｈａｓｅ－Ｓｅｑｕ－ｅｎｃｅ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｊ１．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，２００７，２２ （１）：１８－２６． 【５】王万宝，张犁，胡海兵，等．三相电压不平衡条件下改进的 锁相技术【Ｊ１．电力电子技术，２０１３，４７（７）：１７—１９． 【６】王久和，李华德．一种新的电压型ＰＷＭ整流器直接功率控 制策略『Ｊ１．中国电机工程学报，２００５，２５（１６）：４７—５２． 构简单，计算量小。微电网不平衡电压下的仿真和 验结果表明，基于全通滤波器的无ＰＬＬ直接功率 制比传统ＰＬＬ控制的输出进网电流谐波含量低。 『７】雷芸，肖 岚，郑昕昕．不平衡电网下无锁相环三相并网 逆变器控制策略［Ｊ】＿中国电机工程学报，２０１５（１８）：４７４４— ４７５２． Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ Ｇｒｉｄ－Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｌｌ－ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ ｉｎ Ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ Ｇｒｉｄ Ｖｏｌｔａｇｅ ＬＩＮ Ｘｉａｏ—ｆｅｎｇ，ＬＩ Ｆｕ—ｐｅｉ，ＬＩＵ Ｂｉｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ Ｇｕａｎｇｘｉ ５３０００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｍｉｃｒｏ—ｇｒｉｄ ｈａｓ ａ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ｌｏａｄ ｏｐｅｒａｔｅｓ，ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｒｏｎｅ ｔｏ ｉｍ— ｂａｌａｎｃｅ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ－ｇｒｉｄ ｕｎｂａｌａｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ，ｔｈｅ ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｐｈａｓｅ—ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ （ＰＬＬ）ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｌ１ ｐｒｏｄｕｃｅ ａ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｅｕｒｒｅｎｔ ｈａｒ— ｍｏｎｉｃ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｆｕｌｌ—ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈｏｕｔ ｌｏｃｋ Ｐｈａｓｅ Ｐｏｗｅｒ Ｄｉｒｅｃｔ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｖｅｒｉｉｆｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏ－ｇｒｉｄ ｕｎｂａｌａｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｖｏｌｔａｇｅ ｕｎｂａｌａｎｃｅ；ｄｉｒｅｃｔ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ １９１