電壓不平衡的情況下逆變器無交流電壓傳感器控制策略

中國科學(xué)院電工研究所的研究人員胡書舉、孟巖峰、李豐林、宋斌、鄧雅，在2017年第24期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，針對非理想電網(wǎng)電壓條件，研究一種適應(yīng)電網(wǎng)電壓不平衡情況的并網(wǎng)逆變器無交流電壓傳感器控制策略。

首先基于二階廣義積分器構(gòu)建正交濾波器及適合電網(wǎng)電壓不平衡條件的三相并網(wǎng)逆變器電壓觀測器，在兩相靜止坐標(biāo)系下對電網(wǎng)電壓進(jìn)行觀測；然后基于正交濾波器輸出量進(jìn)行正、負(fù)序分離，使正、負(fù)序分離與電網(wǎng)電壓觀測同步進(jìn)行；最后結(jié)合逆變器在兩相靜止坐標(biāo)系下的PR控制，并采用負(fù)序補償算法，實現(xiàn)逆變器在電網(wǎng)電壓不平衡條件下的無交流電壓傳感器控制。

該策略能夠避免傳統(tǒng)虛擬磁鏈觀測中的積分飽和、初值敏感、靜態(tài)誤差等問題，并克服現(xiàn)有基于正交濾波器的逆變器無交流電壓傳感器控制無法適應(yīng)電網(wǎng)電壓不平衡情況的問題。通過仿真與實驗驗證了所提出策略的有效性。

當(dāng)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)通過逆變器等電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)末端或網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為薄弱的配電網(wǎng)時，電網(wǎng)電壓可能存在的一些非理想條件會對并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生不良影響[1]。針對其中的并網(wǎng)逆變器，近年來國內(nèi)外一些研究者開始研究不依賴電網(wǎng)電壓信號的無交流電壓傳感器控制，以提高逆變器在非理想電網(wǎng)條件下的適應(yīng)性[2,3]。

與有電壓傳感器控制類似，在無電壓傳感器控制算法中，重構(gòu)的電壓/虛擬磁鏈信號可以是顯式的，并進(jìn)行矢量控制；也可以是隱式的，并進(jìn)行直接功率控制?，F(xiàn)有的電網(wǎng)電壓/虛擬磁鏈重構(gòu)方法大致可以分為兩類：一是基于復(fù)功率估計的電網(wǎng)電壓/虛擬磁鏈重構(gòu)方法，屬于開環(huán)估計方法，準(zhǔn)確度不高，并且由于含有電流微分項，因而容易引起干擾；二是基于網(wǎng)側(cè)電流偏差調(diào)節(jié)的電網(wǎng)電壓/虛擬磁鏈重構(gòu)方法，屬于閉環(huán)估計方法，準(zhǔn)確度較高。

為了減小干擾、提高觀測準(zhǔn)確度，一般需要使用低通濾波器，但低通濾波器本身存在著零點漂移、積分飽和、穩(wěn)態(tài)誤差以及初值敏感等問題[4,5]；另外在電網(wǎng)電壓不平衡時，磁鏈觀測與正、負(fù)序分離的級聯(lián)算法使得控制結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，增加了延遲時間，降低了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度[6]。

文獻(xiàn)[7]提出了一種基于正交濾波器的逆變器無交流電壓傳感器控制方法，能夠在電網(wǎng)電壓平衡情況下實現(xiàn)逆變器的無交流電壓傳感器控制。文獻(xiàn)[8,9]基于虛擬同步機技術(shù)，引入虛擬電流來實現(xiàn)電壓控制信號與電網(wǎng)電壓的同步，可以很好地跟蹤基波分量的幅值、頻率和相位，但并未針對非理想電網(wǎng)電壓條件進(jìn)行專門研究。

文獻(xiàn)[10]針對不對稱電網(wǎng)電壓條件，基于瞬時功率理論和虛擬磁鏈技術(shù)，提出了兩種使傳統(tǒng)直接功率控制適應(yīng)電網(wǎng)擾動并良好運行的無交流電壓傳感器改進(jìn)方法，而針對電網(wǎng)電壓不平衡情況，需要進(jìn)一步的實驗驗證。因此針對電網(wǎng)電壓不平衡條件的逆變器無電壓傳感器控制，則無論是濾波器的構(gòu)建還是逆變器的控制策略，均需要進(jìn)一步研究、驗證和完善。

針對以上問題，本文研究能夠適應(yīng)電網(wǎng)電壓不平衡條件下的逆變器無交流電壓傳感器控制策略，基于二階廣義積分器構(gòu)建可變頻率的正交濾波器，進(jìn)一步建立電壓觀測器，提出了一種基于正交濾波器的正、負(fù)序分量分離方法，使得電壓觀測與電壓、電流正、負(fù)序分離可以同步完成，結(jié)合負(fù)序補償電流控制實現(xiàn)逆變器無交流電壓傳感器控制，從而簡化了系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，并獲得較好的動態(tài)性能。最后給出仿真和實驗驗證結(jié)果與結(jié)論。

圖1可變頻率的正交濾波器結(jié)構(gòu)圖

圖2 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3實驗系統(tǒng)裝置實物圖

結(jié)論

本文提出基于二階廣義積分器建立可變頻率的正交濾波器，進(jìn)一步構(gòu)建適應(yīng)電網(wǎng)電壓不平衡條件的電壓觀測器，并基于正交濾波器輸出量進(jìn)行正、負(fù)序分離，使正、負(fù)序分離與電網(wǎng)電壓觀測同步進(jìn)行，結(jié)合負(fù)序電流補償控制，實現(xiàn)逆變器在電網(wǎng)電壓不平衡條件下的無交流電壓傳感器控制。

通過仿真與實驗驗證了所提控制策略的有效性。所提出的無交流電壓傳感器控制策略能夠適應(yīng)電網(wǎng)電壓不平衡條件，且能夠降低逆變器硬件成本，可以有效提高并網(wǎng)逆變器的電網(wǎng)適應(yīng)性。下一步將結(jié)合當(dāng)前逆變器無電壓傳感器控制方面的最新成果，對本文所提方法進(jìn)一步完善，并與其他方法進(jìn)行對比研究。