基于雙閉環(huán)策略的并網(wǎng)逆變器控制方法研究

1、基于雙閉環(huán)策略的并網(wǎng)逆變器控制方法研究吳婷婷 陳天琴 武奇生 長安大學(xué)信息工程學(xué)院為了避免分布式電源并網(wǎng)發(fā)電時(shí)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，必須對(duì)并網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行控制，電能質(zhì)量在電壓為可控變量時(shí)由電壓質(zhì)量決定，但由于電網(wǎng)公共連接點(diǎn)（point of coupling, PCC）處電壓不可控，因而并網(wǎng)電能質(zhì)量取決于逆變器輸出的并網(wǎng)電流的質(zhì)量。并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)就是在網(wǎng)側(cè)得到近似正弦的電流波形和單位功率因數(shù)。理想情況下，輸出電流諧波成對(duì)出現(xiàn)在載波(開關(guān))頻率和其倍數(shù)附近，這些高頻分量通過濾波器可以很容易去除。然而，由于逆變器開關(guān)管的不對(duì)稱和開關(guān)死區(qū)時(shí)間等的影響，往往造成輸出電流基波偏離參考電流，并帶進(jìn)低次

2、諧波（典型如3次，5次，7次等）。 圖1 分布式發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成 圖2 并網(wǎng)VSI系統(tǒng)主電路相關(guān)文獻(xiàn)提出了將逆變器方程從三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下，利用同步PI控制器消除靜態(tài)誤差的思想，相關(guān)文獻(xiàn)利用這種思想改善了饋網(wǎng)電流質(zhì)量，但是它給定有功電流和無功電流，獨(dú)立于逆變器輸出電壓，當(dāng)逆變器輸出電壓質(zhì)量較低時(shí)，達(dá)不到預(yù)期設(shè)定功率因素。相關(guān)文獻(xiàn)根據(jù)逆變器輸出端電壓電流瞬時(shí)值計(jì)算出有功功率和無功功率，分別與給定參考值比較進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是沒有考慮直流側(cè)電壓波動(dòng)問題，當(dāng)直流側(cè)電壓波動(dòng)較大時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度很慢?；诖?，本文根據(jù)同步坐標(biāo)系下的電流特性，提出了將逆變器從三相靜止坐標(biāo)系模型轉(zhuǎn)換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

3、下，采用基于同步PI控制技術(shù)的電流內(nèi)環(huán)和直流電壓前饋控制外環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)電流基波分量在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸上的靜態(tài)無誤差調(diào)節(jié)，有效降低了逆變器死區(qū)效應(yīng)，并抑制了電流低次諧波，取得了網(wǎng)側(cè)電流波形近似為正弦波、單位功率因數(shù)運(yùn)行。一、 三相逆變電源及模型并網(wǎng)VSI系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。分布式電源的輸出經(jīng)boost升壓斬波電路形成的直流源接電壓型三相逆變橋的直流母線，三相逆變橋的交流輸出經(jīng)電抗器并接電網(wǎng)，其中為輸出濾波電抗值，（）為逆變器的三相輸出電壓，（）為逆變器輸出電感電流，（）為三相坐標(biāo)系下電網(wǎng)電壓，為分布式電源產(chǎn)生的電流，為直流側(cè)母線電壓，為直流側(cè)母線電容。 在三相靜止坐標(biāo)系下，逆

4、變器穩(wěn)態(tài)輸出時(shí)，系統(tǒng)方程為： （1）由（1）式可以看出，只要控制與就可以控制，而對(duì)于同一電網(wǎng)，是一定的，所以要控制的量就只有。這種通過控制逆變器輸出電壓進(jìn)而控制并網(wǎng)電流的方式，與傳統(tǒng)的開環(huán)電壓控制策略比較，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。二、 系統(tǒng)控制策略1.同步電流PI控制由于系統(tǒng)中逆變器是三相無中線系統(tǒng)，三相電流之間非獨(dú)立，系統(tǒng)模型是多輸入多輸出的耦合系統(tǒng)，將三相靜止坐標(biāo)變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，降低系統(tǒng)階次，其轉(zhuǎn)換公式為： （2）因此，式（1）轉(zhuǎn)換成： （3）其中，是電網(wǎng)電壓的角頻率。在式（3）中，由于電網(wǎng)的電壓三相平衡時(shí)軸分量為恒定直流量，但之間的電流存在

5、耦合，利用文獻(xiàn)【5】提出的解耦方式可得： （4）式中，為比例系數(shù)，為積分系數(shù)。 同步電流PI控制方法能夠很方便地通過同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上直流分量的PI控制，實(shí)現(xiàn)電流的無靜差控制，簡(jiǎn)化了控制算法，提高了控制精度。2.直流電壓前饋控制分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，一方面由于分布式電源往往具有強(qiáng)非線性，導(dǎo)致輸出直流電壓波動(dòng)；另一方面，由于在起動(dòng)瞬間并網(wǎng)電流未建立，電網(wǎng)電流會(huì)反灌到逆變器的直流側(cè)，給電容充電，形成Boost變換回路，因此，直流電壓波動(dòng)因素必須通過控制器的調(diào)節(jié)作用加以規(guī)避【6】。本文設(shè)計(jì)的控制器通過平衡直流側(cè)功率與逆變器輸出功率來穩(wěn)定參考電壓。在電壓外環(huán)的控制作用下，其并網(wǎng)有功電流分量會(huì)自動(dòng)滿足系統(tǒng)

6、控制要求，電壓外環(huán)的控制算法為： （5） （6）與傳統(tǒng)誤差比較不一樣，文中作為誤差比較器的負(fù)端輸入，而其正端輸入則為的反饋信號(hào)。當(dāng)時(shí)，誤差信號(hào)為正，逆變器輸出的正向增加，即向電網(wǎng)提供有功能量；反之，當(dāng)時(shí)，從電網(wǎng)吸收有功能量以維持的恒定。由于直流側(cè)電容本身并不消耗有功能量，這部分能量只是用來補(bǔ)償逆變器開關(guān)管的損耗，所以從電網(wǎng)吸收的很小。3.空間矢量PWM 為了增強(qiáng)供電可靠性，提高電能質(zhì)量，現(xiàn)在的分布式發(fā)電并網(wǎng)逆變器裝置大都采用PWM技術(shù)?？臻g矢量脈寬調(diào)制方法（Space Vector Pulse-Width Modulation，SVPWM）具有直流電壓利用率高、輸出電壓諧波含量少，控制高效等優(yōu)點(diǎn)，是PWM控制高頻開關(guān)器件中開關(guān)模式的首選。系統(tǒng)中，SVPWM的輸入是坐標(biāo)系下的逆變器輸出參考電壓矢量，輸出是PWM調(diào)制波以驅(qū)動(dòng)逆變器。三、結(jié)論本文針對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器死區(qū)效應(yīng)引起輸出電流諧波含量大的特點(diǎn)，提出設(shè)計(jì)了基于同步內(nèi)環(huán)控制和直流電壓前饋外環(huán)控制的雙閉環(huán)電流控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果看出，采用上述控制策略時(shí)，系統(tǒng)的輸出并