0 引言

    目前，光伏逆變器均是假定電網電壓三相對稱來研制的。當并網點電壓三相不對稱時，光伏逆變器的運行受影響：逆變器直流側電壓會出現2倍頻波動；其輸出的并網電流三相不對稱，總諧波畸變率（Total Harmonics Distortion，THD）上升，甚至導致逆變器損壞^[1-2]。

    為解決電網不平衡時的正序電壓鎖相問題，文獻[3]提出了基于雙同步坐標系解耦的軟件鎖相環。該方法具有較高的穩態精度，但是其依賴于相位反饋，因此當電網相位突變時，其過渡過程中存在超調較大、恢復時間較長等問題。文獻[4]采用自適應觀測器來進行電網相位鎖定，但是該算法程序計算量較大，比較復雜。針對電網不平衡下的光伏逆變器控制問題，文獻[5]中設計了正、負分序的雙同步坐標系控制系統，通過給定正、負序電流指令來實現恒定并網功率控制。雖然控制效果良好，但是整個系統中含有四個電流PI控制器和一個電壓PI控制器，各電流控制器的參數整定及相互協調比較困難。文獻[6-7]基于靜止坐標系中光伏逆變器的數學模型，設計了基于比例諧振控制器(proportional resonant，PR)的交流無靜差控制系統，但由于PR控制器的頻率適應性較差，當電網頻率發生偏移時，并不能取得滿意的控制效果。文獻[8]為實現電網不平衡情況下穩定控制光伏逆變器直流側電壓，采取了只控制正序電流，不控制負序電流的策略。由于在理論上該策略并不能完全實現恒功率并網控制，因此，只能在一定程度上減弱直流側電壓的波動，且為了進行電壓補償需要設計較復雜的高通濾波器，這在一定程度上降低了它的實用性。

    本文首先針對前文所述不平衡電網下的鎖相環存在動態響應較慢、算法較復雜等問題，設計了基于SOGI的正、負序分離鎖相模塊，通過實驗驗證其具有結構簡單、響應快速等優點。在此基礎上，將抑制網側負序電流作為控制目標，設計了基于電網負序電壓前饋的不平衡控制系統，其結構相對簡單；并通過在外環電壓控制器后引入二倍頻陷波器，來降低不平衡控制下并網電流的THD。最后，利用PSCAD/EMTDC搭建仿真模型進行系統性驗證，仿真結果證明了本文理論研究的正確性。

1 正負序分離

    電網電壓不平衡時，由對稱分量法可知，電壓含有正、負、零序分量，此時可以表示如下：

    對于三相無中線系統，其不存在零序電流通路，因此以下分析和討論均不考慮零序電壓。對式(2)、式(3)進行數學變換可得^[1]：

其中，q=e^-jπ/2，為90°相位滯后因子。由式(4)和式(5)可知，若要實現正、負序分離，可以對輸入信號進行正交處理。

    基于內模原理提出的二階廣義積分器其結構如圖1。其中，v為輸入的正弦信號，ω′是濾波器中心頻率，k是阻尼系數，常取為

    根據圖1可得輸入信號v到輸出信號v′和qv′的傳遞函數D(s)與Q(s)的幅值和相位頻率特性如下：

    分析式(6)、式(7)可知，當SOGI的中心頻率與輸入信號的頻率相同時，則輸出信號v′與v具有相同的幅值和相位，qv′與v幅值相同，但是相位滯后90°，可以很好地實現對輸入信號的正交處理。從而，基于SOGI所設計的正、負序分離模塊如圖2所示。

2 不平衡控制系統

    根據對稱分量法，不平衡電網電壓含有正、負、零序分量，且正序和負序電壓各成系統。在電網負序分量的作用下會使得逆變器輸出電流三相不平衡。本文以抑制網側負序電流為控制目標，當控制負序電流為零時，不平衡電網下光伏逆變器的功率關系為：

    式中，p₀、p_2c、p_2s分別為并網有功功率中的平均值、二倍頻分量；q₀、q_2c、q_2s分別為并網無功功率中的平均值、二倍頻分量；P上標代表相應的正序分量，N上標代表相應的負序分量。

    由式(8)可知此時并網功率存在二倍頻分量，所以此時直流側電壓也含有二倍頻分量，從而導致并網電流中含有3、5、7次等諧波分量。為此，可以設計截止頻率較低的電壓外環控制器，且在其后引入二倍頻陷波器，以濾除掉電壓的二次紋波，保證電流品質。

    綜上，本文所設計的基于電網負序電壓前饋的控制系統如圖3所示。該控制系統與常規光伏逆變器控制策略基本一樣，與雙同步坐標系控制系統相比，無需電流正、負序分離模塊，簡化了系統結構。

3 正負序分離的實驗驗證

    據前文對SOGI的理論分析，在DSP28335平臺上，編程實現圖2所示的正、負序分離模塊。實驗時，輸入信號中正序分量的幅值為100 V，負序的幅值為50 V。

    實驗時以同步坐標系的d軸定向，來鎖定電網電壓相位，實驗所得結果如圖4。由圖可知本文所設計的正、負序分離模塊具有良好的動態性能與準確度，充分說明了本文設計方案的正確性與實用性。

4 不平衡控制系統的仿真驗證

    為驗證本文所設計控制策略的正確性，利用電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC搭建出三電平光伏逆變器的模型。具體仿真參數為：電網電壓E_max為220 V；直流側穩壓電容C為600 μF；系統額定功率PN為10 kW；網側電感濾波器L為0.45 mH。

    基于此仿真系統，進行了常規控制策略（I型策略）和有負序電壓前饋（II型策略）的對比仿真。仿真條件設定為電網A相0.3 s時驟降為原來的50%。

    圖5為I型策略控制下并網電流波形和A相并網電流的THD分析。分析圖5可知，光伏逆變器的輸出電流三相不對稱，且電流的THD大增，已不符合光伏并網要求。因此，當電網電壓不平衡時，I型策略控制下的光伏逆變器的運行受到了嚴重影響，需要進行策略改進。

    圖6為II型策略控制下并網電流波形和A相并網電流的THD分析。

    從圖6可以看出，A相電壓跌落后，逆變器的并網電流仍舊能保持良好的對稱性；在截止頻率設計適當的電壓控制器和二倍頻陷波器的協調作用下，穩態時電流的THD雖然有所增大，但是仍保持在2.3%左右。因此，II型策略能很好地應對電網電壓不對稱的情況，充分證明了本文方案的正確性。

5 結論

    本文以不平衡電網下的正、負序分離模塊為基礎，圍繞光伏逆變器的不平衡控制策略展開研究。為了加快不平衡鎖相環的響應速度及簡化其實現，設計了基于SOGI的鎖相模塊，且利用實驗加以驗證；本文以抑制網側負序電流為目標，設計了系統結構相對簡單的基于網側負序電壓前饋的不平衡控制系統，且通過電壓控制器和二次陷波器的配合降低電流THD，仿真結果證明了理論分析的正確性。

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作者信息:

歐陽森1，2，馬文杰1，2

(1.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州510640；2.廣東省綠色能源技術重點實驗室，廣東 廣州510640)