1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1. 并网逆变器在电网电压不平衡时的控制策略研究课题背景与意义

目前，分布式发电相关技术在世界范围内获得了广泛关注。由于分布式电源与接入大电网的电源特性明显不同，后者为同步发电机，而前者中一大类电源输出为直流电或是非工频交流电（如光伏电池、燃料电池、风机等），必须采用并网逆变器上网，因此并网逆变器的研究已成为分布式发电领域的一个研究热点。分布式电源既可组成微网运行，也可直接接入常规配电系统运行。当组成微网运行时，对分布式电源的控制方法和控制目标有一些特殊要求，如：微网独立运行时可能需要一些分布式电源改变控制模式；微网的运行状态多变，要求状态转换时尽可能实现无缝切换，等等。

关于并网逆变器在电网电压不平衡时的控制的研究可追溯到20世纪。早期研究对象主要针对整流器。1996年，Rioual等学者建立了电压不平衡情况下整流器控制的数学模型，推导出满足恒定有功功率调节的正序和负序电流参考指令，并采用同步旋转坐标PI控制进行电流调节。虽然正序电流可以精确控制，但是负序电流控制仍存在误差。为了解决此问题，韩国Song等学者提出一种正负序双旋转坐标PI控制，实现了正序和负序电流的精确控制。上述两种控制本质上属于恒定输入功率调节，在整流器功率较小时可以获得较稳定的直流输出电压。但是，当整流器容量较高、流过电感的不平衡电流较大时，电感上存在的不平衡功率仍然会导致直流侧产生脉动。采用整流桥输入端恒功率控制策略解决了网侧恒定输入功率控制时电感不平衡功率引起的直流侧脉动问题，但电流参考指令需要求解非线性方程，实现较为复杂。此非线性方程可以通过假设网侧电压和整流输入端电压已知的方法求解，降低了实现的复杂度。

早期整流器在电网电压不平衡情况下运行时的基本控制目标是获得稳定无脉动的直流电压。然而，随着分布式发电系统的迅猛发展，并网导则对并网变换器提出了新的要求。针对传统整流器直流电压无脉动控制在应用上的局限性，西班牙学者P. Rodr#305;guez等人提出了5种有功功率和无功功率控制策略：如瞬时有功/无功控制、平均有功/无功控制、瞬时正序控制、平衡正序控制和正负序补偿控制，满足了不同并网导则对并网变换器运行的要求，为电网电压不平衡情况下并网逆变器控制提供了重要的理论基础。

2. 并网逆变器在电网电压不平衡时的控制策略研究课题的国内外研究现状的介绍以及应用

针对电网电压不平衡时逆变器的控制问题，国外学者提出了一些解决方法，而国内在这方面的研究相对较少。对于电网不平衡情况下的并网逆变器研究主要集中在以下两点:

(1) 电网功率和直流侧电压二倍频波动抑制；

(2) 并网电流畸变的控制。

总结相关文献，将现有的控制方法归纳为以下三类：一是自然坐标系控制；二是旋转坐标系控制；三是静止坐标系控制。

2.1 自然坐标系控制

自然坐标系控制也称abc控制，即根据有功、无功功率理论，在abc坐标系中，v =(va vb vc) T ,电流i=（ia ib ic）T ,由电压、电流关系推导出参考电流表达式，每个参考电流都使用单独的控制器进行控制。一般而言，在电压正常情况下，分布式发电要求系统运行在单位功率因数下，输出功率与分布式发电系统保持同步。在这种情况下，电网电压不平衡发生时，控制方法归纳为以下几种。

2.1.1 瞬时单位功率因数控制(IUPFC)

瞬时单位功率因数控制(Instantaneous Unity Power Factor Control, IUPFC)：在电网故障期间维持单位功率因数并网。在这种情况下,并网电流畸变比较严重,但注入电网的有功无功功率保持恒定。

IUPFC控制策略虽然消除了注入功率振荡,但其电网电流严重畸变。 2.1.2 平均单位功率因数控制(AUPFC)

对IUPFC控制进行了分析,在电网故障期间,IUPFC控制得到的并网电流畸变严重,是由于瞬时电导g不恒定而导致。令g保持恒定,可得到平均单位功率因数控制(Average Unity Power Factor Control, AUPFC)。 AUPFC控制可以抑制并网电流畸变。

AUPFC控制策略弥补了IUPFC控制策略的缺陷,但同样带入了新的问题,即有功功率存在二次波动。

2.1.3 瞬时正序控制(IPSC)

AUPFC控制虽然消除了无功功率波动,并网电流畸变也得到抑制,但有功功率存在波动,于是提出了一种瞬时正序控制(Instantaneously Controlled Positive Sequence,IPSC)。IPSC控制消除了有功功率波动,减小了并网电流畸变。瞬时有功功率与并网不平衡电流i=iP iN和三相不平衡电压v=vP vN有关, 即p=v#215;i=vP #215;iP vP #215;iN vN #215;iP vN #215;iN 可以看出，正序电流可以瞬时的控制传递有功功率，且负序电流分量为零。

IPSC控制消除了有功功率波动,但无功功率存在波动,且并网电流发生畸变。

2.1.4 平均正序控制(APSC)

平均正序控制方法(Average positive sequence control, APSC)，当并网电流起决定性作用时,可以不考虑负序电流的影响,这样就可以抑制并网电流的畸变。

APSC 控制虽然抑制了并网负序电流,却带来有功无功功率波动,达不到单位功率因数并网要求。

2.1.5 正负序补偿控制(PNSC)

IPSC控制和APSC控制都没考虑负序电流的影响,它们各有优点,但是缺点也同样明显。提出了一种正负序控制策略。正负序控制(Positive-negative Sequence Compensation Control, PNSC)考虑负序电流的影响，消除注入电网有功功率波动。

PNCS控制弥补了IPSC控制和APSC控制的不足,即消除了注入电网的有功功率波动,抑制了电网电流畸变;但是无功功率仍存在二倍频波动。

2.1.6 双参数控制法

上述五种控制方法都具有一种极端的功率因数特性:完全消除功率波动,并网电流却存在畸变;完全抑制电流畸变,但却存在功率波动。鉴于这种情况,提出了一种双参控数制法,即引入两个可调节的参数,改变参数可以获得实际所需要的控制效果。

双参数控制两个参数调节比较困难,且计算量比较大。

2.2 旋转坐标系下控制

自然坐标系控制计算方便,但是三相电流均需要控制器去控制,系统结构复杂,参数调整困难。Enjeti and Choudhury 首次分析了 PWM 变换器在不平衡输入下的运行情况,提出了一种前馈控制算法,计算序分量和 PWM 门控信号用与反作 用抵消不平衡情况下产生的异常谐波。Vincenti and Jin 按照输入相电压推导出了 基于输入正负序分量的不平衡转移矩阵。Pascal Rioual 在首次推导出了 正负序电压等式,获得了用于控制恒定直流侧电压和消除无功功率的正负序指令电流,提出了 VCC(Vector Current Control)控制。

但VCC控制没有使用负序电流控制器,而在正序同步坐标系中将负序电流直 接转换后和正序电流合成指令电流,负序电流在同步坐标系中转化会产生二倍频波动。

在VCC控制的基础上做了改进,将Enjeti and Choudhury提出的前馈控制引入到 VCC 控制中,提出 VCCF(Vector Current Control Feed-forward)。引入前馈控制能减小扰动的影响,提高系统的抗干扰能力。对上述几种方案进行了总结,提出了一种双电流环控制(Dual Vector Current Control, DVCC),对正负序电流各自采用一个控制器。DVCC控制在消除并网电流畸变和抑制直流侧电压波动性能上取得了良好的效果,但是没有考虑滤波器的影响,忽略了滤波器消耗的功率,并且只分析了稳态情况,对不平衡情况下得暂态响应没有作分析。

对VCC、VCCF和DVCC三种控制方法做了比较,指出了它们的区 别,给出了具体实现过程,并用仿真验证了三者的控制结果。对DVCC控制进行了进一步研究,考虑了滤波电感上的功率损耗,提出了DVCC1控制,使双电流环控制更具有一般性。

以分布式能源系统的低电压穿越为背景,考虑了分布式能源在电网不平衡情况下的低电压穿越能力,提出了一种正负序电流注入法,可以在电网故障期间为电网提供有功和无功功率,帮助电网恢复。正负序电流注入法虽然在电网故障期间可以向电网注入有功和无功功率,但功率存在波动。

大多数旋转坐标系控制都依赖前馈控制去抵消二次功率波动, 缺乏自适应调整,对由扰动和噪音引起的偏移误差很敏感,鲁棒性不好,并且不能完全消除功率波动。于是把比例谐振控制(proportional resonant controller, PR) 引入到了电网不平衡时逆变器的控制中,提出了dcPIR控制。指令电流计算采用旋转坐标系算法。

dcPIR控制思想是:电网正常时,PI控制起主要作用,dcPIR控制等效于传统的PI控制器;电网不平衡时,直流侧出现二次波动,其偏差二次波动由PR控制, 这弥补了PI控制不能消除稳态误差的缺陷。

2.3 静止坐标系控制

旋转坐标系控制相比于自然坐标系控制系统结构简单,并且控制的是直流量,通常采用传统PI控制;但是PI控制器难以消除稳态误差,保持控制精度。

由于上述计算指令电流计算还是采用旋转坐标系计算方法,计算过程比较复杂,在上述文献的基础上做了进一步改进,提出了空间矢量控制(Space Vector Control, SVC)。

电网不平衡时,PI控制器调节产生正序电流分量,SVC控制对直流侧二倍频 波动进行调节,产生负序电流分量,两者合成的指令电流就含有正负序分量,电流内环采用PR控制,达到无静差跟踪控制。文中对SVC控制的稳态和暂态特性进行了分析,并用实验证明了提出控制策略的效果。

分析了三相PWM整流器在电网不平衡情况下的控制,将DVCC控制转换成静止坐标系控制形式,对DVCC、dcPIR 和SVC三种控制方法进行了比较：

DVCC控制原理，直流侧采用 PI 控制,实际计算时还需陷波滤波器来消除二次波动,这样会带来延迟误差,且参考电流算法没有考虑滤波电感上得功率损耗;

dcPIR控制原理,直流侧采用PI PR控制,直接控制二次波动,弥补了采用PI控制时的不足,但指令电流仍采用传统瞬时功率算法, 计算困难;

SVC控制原理,没有采用传统瞬时功率算法,而用 PI PR 算法替代,并加入了调节负序分量部分,直接形成参考电流,但对控制精度要求比较高,对参数变化敏感,任何参数的变化都会引起控制效果发生变化。

2.4 三类控制方法的比较

表2.1列出了上述三类电网不平衡情况下并网逆变器控制方法的优缺点,以便于比较。方法的选取上,不仅要考虑各类方法的优缺点,还要结合实际应用的具体情况进行考虑,如方法实现的难易程度,对精度的要求等。

综上所述，自然坐标系、旋转坐标系和静止坐标系控制三种控制方法各有优缺点,在以后的研究中可以尝试将三种方法两两结合,各取其优点形成一种混合控制法,或许会取得更好的控制效果。

3. 并网逆变器在电网电压不平衡时的控制策略研究课题应用前景

由于能源危机,新能源的开发和利用迫在眉睫。分布式电源（如光伏电池、燃料电池、风机等）发展猛烈。随着分布式发电系统装机容量的不断增加,电网电压不平衡时逆变器的控制问题不容忽视。同时，分布式电源输出为直流电或是非工频交流电，必须采用并网逆变器上网，因此并网逆变器的研究已成为分布式发电领域的一个研究热点。

近年来，智能电网在中国逐步得到了重视，随着智能电网的发展，大量的分布式电源出现，并网逆变器在电网电压不平衡时的控制的应用前景显而易见，未来将出现更为精确的控制技术。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1.本课题要解决的问题

在电网电压不平衡，出现了正序和负序电流的情况下，分析其出现电压不平衡原因，结合并网逆变器的控制方法，制定并网逆变器的控制策略，最后实现了正序和负序电流的精确控制。从而实现并网后对电力系统的影响降至最低。