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电网电压不平衡时正弦波逆变器无交流电压传感器控制策略

针对非理想电网电压条件,研究一种适应电网电压不平衡情况的并网正弦波逆变器无交流电压传感器控制策略。首先基于二阶广义积分器构建正交滤波器及适合电网电压不平衡条件的三相并网正弦波逆变器电压观测器,在两相静止坐标系下对电网电压进行观测;然后基于正交滤波器输出量进行正、负序分离,使正、负序分离与电网电压观测同步进行;最后结合正弦波逆变器在两相静止坐标系下的PR控制,并采用负序补偿算法,实现正弦波逆变器在电网电压不平衡条件下的无交流电压传感器控制。

 

该策略能够避免传统虚拟磁链观测中的积分饱和、初值敏感、静态误差等问题,并克服现有基于正交滤波器的正弦波逆变器无交流电压传感器控制无法适应电网电压不平衡情况的问题。通过仿真与实验验证了所提出策略的有效性。

 

当可再生能源发电系统通过正弦波逆变器等电力电子设备接入电网末端或网架结构较为薄弱的配电网时,电网电压可能存在的一些非理想条件会对并网系统的稳定运行产生不良影响[1]。针对其中的并网正弦波逆变器,近年来国内外一些研究者开始研究不依赖电网电压信号的无交流电压传感器控制,以提高正弦波逆变器在非理想电网条件下的适应性[2,3]。

 

与有电压传感器控制类似,在无电压传感器控制算法中,重构的电压/虚拟磁链信号可以是显式的,并进行矢量控制;也可以是隐式的,并进行直接功率控制。现有的电网电压/虚拟磁链重构方法大致可以分为两类:一是基于复功率估计的电网电压/虚拟磁链重构方法,属于开环估计方法,准确度不高,并且由于含有电流微分项,因而容易引起干扰;二是基于网侧电流偏差调节的电网电压/虚拟磁链重构方法,属于闭环估计方法,准确度较高。

 

为了减小干扰、提高观测准确度,一般需要使用低通滤波器,但低通滤波器本身存在着零点漂移、积分饱和、稳态误差以及初值敏感等问题[4,5];另外在电网电压不平衡时,磁链观测与正、负序分离的级联算法使得控制结构更加复杂,增加了延迟时间,降低了系统的动态响应速度[6]。

 

文献[7]提出了一种基于正交滤波器的正弦波逆变器无交流电压传感器控制方法,能够在电网电压平衡情况下实现正弦波逆变器的无交流电压传感器控制。文献[8,9]基于虚拟同步机技术,引入虚拟电流来实现电压控制信号与电网电压的同步,可以很好地跟踪基波分量的幅值、频率和相位,但并未针对非理想电网电压条件进行专门研究。

 

文献[10]针对不对称电网电压条件,基于瞬时功率理论和虚拟磁链技术,提出了两种使传统直接功率控制适应电网扰动并良好运行的无交流电压传感器改进方法,而针对电网电压不平衡情况,需要进一步的实验验证。因此针对电网电压不平衡条件的正弦波逆变器无电压传感器控制,则无论是滤波器的构建还是正弦波逆变器的控制策略,均需要进一步研究、验证和完善。

 

针对以上问题,本文研究能够适应电网电压不平衡条件下的正弦波逆变器无交流电压传感器控制策略,基于二阶广义积分器构建可变频率的正交滤波器,进一步建立电压观测器,提出了一种基于正交滤波器的正、负序分量分离方法,使得电压观测与电压、电流正、负序分离可以同步完成,结合负序补偿电流控制实现正弦波逆变器无交流电压传感器控制,从而简化了系统的控制结构,并获得较好的动态性能。最后给出仿真和实验验证结果与结论。

 

图1 可变频率的正交滤波器结构图

电网电压不平衡时正弦波逆变器无交流电压传感器控制策略

 

图6 实验系统结构

电网电压不平衡时正弦波逆变器无交流电压传感器控制策略实验结构图

 

图7 实验系统装置实物图

电网电压不平衡时正弦波逆变器无交流电压传感器控制策略实验系统装置实物图

 

结论

本文提出基于二阶广义积分器建立可变频率的正交滤波器,进一步构建适应电网电压不平衡条件的电压观测器,并基于正交滤波器输出量进行正、负序分离,使正、负序分离与电网电压观测同步进行,结合负序电流补偿控制,实现正弦波逆变器在电网电压不平衡条件下的无交流电压传感器控制。

通过仿真与实验验证了所提控制策略的有效性。所提出的无交流电压传感器控制策略能够适应电网电压不平衡条件,且能够降低正弦波逆变器硬件成本,可以有效提高并网正弦波逆变器的电网适应性。下一步将结合当前正弦波逆变器无电压传感器控制方面的最新成果,对本文所提方法进一步完善,并与其他方法进行对比研究。

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