并网逆变器矢量控制以及直接功率控制
单级式光伏并网逆变器的PR和MPPT集成控制策略
单级式光伏并网逆变器的PR和MPPT集成控制策略闫彩霞;王生铁;张计科【摘要】单级式光伏并网逆变器具有结构简单,成本低、效率高的优点,尤其适合于大容量光伏并网发电系统.针对单级式光伏并网逆变器,提出了一种结合PR和MPPT控制的集成控制策略,它具有功率外环和电流内环的结构,可以同时实现最大功率无差跟踪控制和单位功率因数并网控制.建立了α-β坐标系下的逆变器系统数学模型,给出了结合根轨迹和频率特性的PR控制器参数设计方法,并进行了参数设计.建立了10 kW单级式光伏并网发电系统的仿真模型,仿真结果表明,在模拟标准光强、云朵飘过及全天光照的条件下,PR和MPPT集成控制策略能够快速跟踪光照的变化,实现MPPT的无差跟踪控制及单位功率因数并网控制,具有良好的动静态性能.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2014(044)005【总页数】6页(P7-12)【关键词】光伏发电;单级式并网逆变器;比例谐振控制;最大功率跟踪控制;集成控制策略【作者】闫彩霞;王生铁;张计科【作者单位】内蒙古工业大学电力学院,内蒙古呼和浩特010080;内蒙古工业大学电力学院,内蒙古呼和浩特010080;内蒙古工业大学电力学院,内蒙古呼和浩特010080【正文语种】中文【中图分类】TM615;TM464按光伏并网逆变器的结构划分，并网系统主要有单级式和两级式两种拓扑结构［1-2］。
对于大容量光伏并网逆变器，与两级式相比，单级式具有结构简单、成本低、效率高的优点［3-5］。
单级式光伏并网系统主电路拓扑结构如图1所示。
对于单级式光伏并网逆变器的控制，三相系统一般采用在两相旋转坐标系下基于PI控制器的电网电压定向矢量控制，MPPT环节采用电压寻优方式，外环将检测到的直流母线电压与MPPT输出电压值做差，送入PI控制器，输出电流指令；内环主要是控制并网电流，使其跟踪电压外环输出的指令电流。
这种控制是功率、电压、电流3环控制结构，两相旋转坐标系下的控制需要经过多次坐标变换，并且需要前馈解耦控制，结构较复杂［6-7］。
第6章 光伏并网逆变器控制策略(1)
2020/3/10
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21
基于静止坐标系的控制设计，为实现对正弦给定信 号的无静差跟随，则要求系统基于静止坐标系模 型中的开环传递函数包含1 /( s2+ω2 ) 环节。一般 采用比例谐振(PR)调节器。
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6.2.1 同步坐标系下并网逆变器的数学模型
为两相静止αβ坐标下的数学模型
X TX abc
得：
1
T
2 3
0
-1 2
3 2
-1 2
-
3 2
U i
E
I
R
L
dI dt
(x a,b, c)
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• 再由两相静止αβ坐标下的数学模型变换成 同步旋转dq坐标系下的数学模型
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两相静止αβ坐标系下的数学模型
把两个相互垂直的坐标轴α 、β 固定，取α轴与 A 相轴重合，β 轴超前α轴 90o，得到坐标系，称为 两相静止(2S)坐标系。
从 ABC 坐标系到αβ坐 标系的变换称为静止三相/ 两相(3S/2S)变换。
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间接电流控制：通过控制并网逆变器交流侧电压来 间接控制输出电流矢量。
间接电流控制特点： 无需电流检测，但①对系统参数变化敏感； ②动态 响应速度慢； ③由于没有电流反馈控制，逆变器输 出电流的波形品质难以保证。
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并网逆变器技术指标及分析
并网逆变器技术指标及分析并网逆变器是太阳能光伏并网发电系统的关键部件，由它将直流电能逆变成交流电能，为跟随电网频率和电压变化的电流源。
目前市售的并网型逆变器的产品主要是DC-DC和DC-AC两级能量变换的结构：DC-DC变换环节调整光伏阵列的工作点使其跟踪最大工作点；DC-AC逆变环节主要使输出电流与电网电压同相位，同时获得功率因数。
对于大型、超大型光伏电站一般都选用集中式光伏并网逆变器。
逆变器的配置选用，除了要根据整个光伏电站的各项技术指标并参阅生产厂商提供的产品手册来确定之外，还要重点关注如下几点技术指标。
(l)额定输出功率额定输出功率表示逆变器向负载或电网供电的能力。
选用逆变器应首先考虑光伏阵列的功率，以满足最大负荷下设备对电功率的要求。
当用电设备以纯电阻性负载为主或功率因数大于0.9时，一般选用逆变器的额定输出功率比用电设备总功率大10%～15%。
并网逆变器的额定输出功率与太阳电池功率之比～般为90%。
(2)输出电压的调整性能输出电压的调整性能表征逆变器输出电压的稳压度。
一般逆变器都给出当直流输入电压在允许波动范围内变化时，该逆变器输出交流电压波动偏差的百分率，即电压调整率。
性能好的逆变器的电压调整率应≤3%。
(3)整机效率整机效率表征逆变器自身功率损耗的大小。
逆变器效率还分最大效率、欧洲效率（加权效率）、加州效率、MPPT效率，它们的定义如下。
最大效率ηmax：逆变器所能达到的最大效率。
欧洲效率ηeuro：按照在不同功率点效率根据加权公式计算。
加州效率ηcec：考虑直流电压时对效率的影响，再次平均。
MPPT效率ηMPPT：表示逆变器最大功率点跟踪的精度。
目前，先进水平：ηmax>96.5%，ηMPPT>99%。
(4)启动性能所选用的逆变器应能保证在额定负荷下可靠启动。
高性能逆变器可以做到连续多次满负荷启动而不损坏功率开关器件及其他电路。
对于大型光伏电站，通常选用250kW、500kW集中型并网逆变器。
CPWM与DPWM统一实现的光伏逆变器研究
CPWM与DPWM统一实现的光伏逆变器研究明杰;李宁【摘要】为提高光伏并网逆变器的电能质量与发电效率性能指标,深入探讨了基于零序分量注入的载波调制方法.根据连续脉宽调制(CPWM)与空间矢量脉宽调制(SVPWM)的等效原理,设计了一种将等效的空间矢量脉宽调制与不连续脉宽调制(DPWM)统一实现的三相光伏并网逆变器调制方法.该方法可实现等效SVPWM,DPWM1,DPWM3等调制的平滑切换,有极高的灵活性且实现简单,仿真与实验结果证明所提方法可行有效.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2018(048)012【总页数】5页(P39-43)【关键词】三相光伏并网逆变器;空间矢量脉宽调制;不连续脉宽调制【作者】明杰;李宁【作者单位】中节能太阳能股份有限公司,北京 100082;山东奥太电气有限公司新能源事业部,山东济南 250101【正文语种】中文【中图分类】TM341环境污染与能源危机日益严重，新能源发电行业得到快速发展。
随着光伏发电系统等分布式能源大规模接入低压配电网，提高电力电子装置性能指标已成为国内外众多学者的研究热点。
同时，并网逆变器作为可再生能源发电系统与电网的接口，在并网发电中起到关键作用。
电能质量与变换效率成为考核光伏逆变器性能的重要指标［1-2］。
从交流侧电能质量的角度，由于空间矢量脉宽调制（SVPWM）具有较高的直流电压利用率、较低的输出电压与电流谐波等优点，目前已广泛应用于三相电压源逆变器（VSI）中。
而零序分量注入的载波调制通过注入3次低频谐波可实现与空间矢量调制等效［3-5］。
从提高光伏并网逆变器效率的角度分析零序分量注入的载波调制，其可分为连续脉宽调制（CPWM）与不连续脉宽调制（DPWM）。
与CPWM调制相比，DPWM 可以实现某一相开关管在1个电压基波周期内的特定区间不动作，从而降低开关损耗。
特别在大功率应用场合，DPWM提高变换器效率尤为明显［6-7］。
因此，研究高效的并网逆变器调制方法具有重大意义和广阔的应用前景。
具有高功率因数的三相光伏并网逆变器控制算法_尹璐
"
（1）
#
u#
# ##
q
$
=
L
d iq dt
+ Riq+ ω Lid+ eq
其中，ω 为电网基波电压角频率。
因为本系统没有中线且电网电压三相对称，所
以数学模型中不含 0 轴方程。 根据电压定向矢量控
制原理，d 轴与电网电压空间矢量 E 的方向重合，则
ed 等于电网电压空间矢量的幅值，eq 等于 0。 此时 id 即为有功电流，iq 为无功电流，实现了系统有功功率
了防止系统误动作，通常频率的判断阈值会大于此范
围，取 2 倍裕量，即所研究的频率范围和所考察的
本地负载谐振频率范围均为［49，51］ Hz。
3.2 改进的 SMS 法设计
SMS 法是通过构造逆变器输出的相位 － 频率曲
线使其与负载固有的相位 － 频率曲线在正常频率范
围内没有稳定的工作点，而使系统在离网时的工作
频率发散到检测阈值之外的一种主动孤岛检测方
法。 传统的 SMS 方法构造的相位-频率关系为：
f f θSMS＝ θmsin
π 2
f - fN fm- fN
（7）
其 中 ，θSMS 为 逆 变 器 输 出 电 流 超 前 公 共 点 电 压 的 角
度，θm 为 SMS 法 的 最 大 相 移 ，f 为 公 共 点 频 率 ， fN 为
L +
~U -
Lσ1
R1 I Ig Lσ2
R2
Im
+
Lm E
Rm -
图 2 逆变器交流侧带变压器的单相等效电路图
Fig.2 Single-phase equivalent circuit of inverter with transformer at AC side
三相并网逆变器 设计与仿真
《电气工程综合训练III》报告设计题目：三相并网逆变器分析、设计与仿真专业班级：学生姓名：学生学号：指导老师：许完成日期：2016年1月13日江苏大学·电气信息工程学院1.训练题目：三相并网逆变器分析、设计与仿真2.训练目标：通过本课程的综合训练，掌握电力电子变换器及其控制系统的数学建模、性能分析、参数设计和基于PSIM软件的仿真验证，为后续毕业设计及未来工作与科研奠定一定的电气工程综合实践基础。
3.训练内容：三相并网逆变器的并网原理与数学模型，基于PI控制器的矢量控制策略及参数设计，三相SVPWM调制技术，三相软件PLL技术及参数设计，三相并网逆变器系统的PSIM仿真分析。
N4.训练要求：独立完成训练内容，正确分析工作原理，合理设计相关参数，正确搭建仿真模型，有效获得仿真结论，作业封面全班统一，文字图表布局整齐，采用A4纸张打印并装订。
一、新能源发电与并网技术新能源是指传统能源之外的各种形式能源，包括太阳能、风能、水能、地热能、生物质能和海洋能。
新能源发电是指某些中小型发电装置靠近用户侧安装，它既可以独立于公共电网直接为少量用户提供电能，也能直接接入配网，与公共电网一起为用户提供电能。
新能源发电主要包括：光伏发电系统、风力发电系统、燃料电池、水能发电系统、海洋能发电系统、地热能发电系统、生物质发电装置以及储能装置等。
根据用户及使用目的的不同，新能源发电可用于备用电站、电力调峰、冷热电联供以及边远地区的独立供电等多种用途。
中小容量燃气轮机发电、风力发电机组以及以直流电形式存在的太阳能光伏电池、燃料电池等分布式电源发出的电能无法直接供给交流负荷，须经一定的接口并网。
分布式发电并网接口方式分电力电子逆变器接口和常规旋转电机接口类，前者在体积、重量、变换效率、可靠性、电性能等方面均优于后者，目前主要装置是并网逆变器。
逆变器的拓扑结构是关键，关系到逆变器的效率和成本。
一方面新能源大规模并网要求电网不断提高适应性和安全稳定控制能力，主要体现在：电网调度需要统筹全网各类发电资源，使全网的功率供给与需求达到实时动态平衡，并满足安全运行标准；电网规划需要进行网架优化工作，通过确定合理的大规模新能源基地的网架结构和送端电源结构，实现新能源与常规能源的合理布局和优化配置；输电环节需要采用高压交／直流送出技术，提升电网的输送能力，降低输送功率损耗。
基于LCL滤波器的三相三线并网变流器若干关键技术研究
基于LCL滤波器的三相三线并网变流器若干关键技术研究一、本文概述随着可再生能源的快速发展，三相三线并网变流器在电力系统中的应用日益广泛。
作为连接可再生能源发电系统与电网的关键设备，并网变流器的性能直接影响到电力系统的稳定性和电能质量。
在并网变流器的设计中，滤波器的作用至关重要，它能有效滤除谐波，提高电能质量。
其中，LCL滤波器以其良好的滤波效果和较小的体积优势，在三相三线并网变流器中得到了广泛应用。
本文旨在深入研究基于LCL滤波器的三相三线并网变流器若干关键技术，包括LCL滤波器的设计优化、并网变流器的控制策略、系统稳定性分析等方面。
通过对这些关键技术的探讨，旨在提高三相三线并网变流器的运行效率，优化其性能，以更好地适应可再生能源接入电网的需求。
本文还将结合实际应用案例，分析LCL滤波器在三相三线并网变流器中的实际应用效果，为相关领域的研究和应用提供参考。
在接下来的章节中，本文将详细介绍LCL滤波器的设计原理和方法，分析不同控制策略对并网变流器性能的影响，以及探讨提高系统稳定性的有效措施。
通过理论分析和实验研究，本文将为三相三线并网变流器的优化设计和运行控制提供有益的指导和建议。
二、LCL滤波器的基本原理和特性LCL滤波器是一种在电力电子系统中广泛应用的无源滤波器，主要用于改善并网变流器的电流波形质量，降低电网谐波污染，并提高系统的功率因数。
其基本结构由电感（L）、电容（C）和另一个电感（L）串联组成，因此得名LCL滤波器。
LCL滤波器的工作原理主要基于电感对电流变化的阻碍作用和电容对电压变化的缓冲作用。
在并网变流器工作时，LCL滤波器能够吸收和滤除由逆变器产生的高频谐波，使得输出的电流更加接近正弦波，满足电网对电流质量的要求。
滤波效果好：LCL滤波器的高频滤波性能优于传统的L滤波器，能有效滤除逆变器产生的高次谐波，提高并网电流的波形质量。
谐振问题：LCL滤波器存在一个固有的谐振频率，当系统频率接近这个谐振频率时，可能会导致滤波器失效，甚至对系统造成损害。
三相电压型并网逆变器预测直接功率控制
This paper investigates a novel direct power control, predictive direct power control
(P-DPC), for three-phase grid-connected voltage-sourced inverters(GC-VSI). Different strategies to select voltage vectors and their duration time appropriately are addressed to eliminate the low-orders harmonic of currents, and obtain better dynamic and static performance. The P-DPC, which is implemented in the stationary reference frame directly, can obtain a fixed switch frequency instead of the shortcoming of variable switching frequency appears in conventional look-up table direct power control (LUT-DPC) and, meanwhile, it still maintains the fast transient feature of DPC. Furthermore, it requires no synchronous reference frame transformation and space vector pulse width modulation. The simulation and experimental investigation on LUT-DPC, vector control and P-DPC are carried out on a 2kVA GC-VSI. The results show the effectiveness of the proposed P-DPC strategy and its application potential on renewable energy industry. Keywords： Grid-connected voltage sourced inverter (GC-VSI), predictive,direct power control (P-DPC), fixed switch frequency 得到了空前的发展。电压型并网逆变器 [1] 因其具有 较好的输入 / 输出特性、 有功功率和无功功率独立调 节等优势，被广泛地应用在可再生能源分布式发电 和高压直流输电等领域，其在智能电网技术中也有 着十分重要的作用和地位。 矢量控制（ VC）以其良好的稳态性能，被广泛
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ugb
igbRL
digb dt
SbVdc
ugb
igbRL
digb dt
SbVdc
ugc
igcRL
digc dt
ScVdc
C
dVdc dt
Saiga
Sbigb
Scigc
iload
(3.1.1)
式中：S a 、S b、S c 分别为三相桥臂的开关函数。
8
网侧PWM变换器
三相无中线的系统中有：
0 Rigq 1Ligd vgq
(3.1.23)
iload(SdigdSqigq)
(3.1.24)
16
网侧PWM变换器及其控制
网侧PWM变换器稳态电压空间矢量图
q
q
igq
ig
ugd
d
ig = igd
ugd
d
igd
vgq
Zig j1Lig
vg
vgq
vg 1Ligd
vgd Rig
vgd
(a)
(b)
(a) 一般情况
S d 、S q --- 开关函数的α 、β轴分量；
1 --- 电网电压的角频率。
14
网侧PWM变换器及其控制
ug ugd jugq 为电网电压矢量 将坐标系 d 轴 定向于电网电压矢量，则有
ugdug3 2U g；U g： 相 电 压 峰 值 u g q 0
电网电压定向后
3 2
U
g
Rigd
6
网侧PWM变换器
➢ 网侧PWM变换器的主电路 VSC交流侧（pole）
iload
交流电网
uga
L
R iga
ugb
L
R
ugc
L
R
igb
负
C
Vdc 载
igc
交流输入阻抗
VSC
直流7侧
网侧PWM变换器
设功率器件为理想开关，由基尔霍夫电压、电流 定理可得：
uga
igaRL
diga dt
SaVdc
2
DPC用途
➢ 可用于交流调速传动，但主要用于可逆传动 的网侧变换器控制
+
～
Ud C0
～M
3
DPC用途
➢ 变速恒频风力发电机的交流励磁变频器的 网侧变换器
齿轮箱
DFIG
电 网
转子侧 PWM变换器
网侧 PW4M变换器
DPC用途
➢ 光伏发电系统并网逆变器
5
DPC用途
➢ 静止无功补偿装置（STACOM）的 电压源型变换器（VSC）
则三相静止坐标系下网侧PWM变换器的数学模型为：
diga
dt
R L
iga
1 L
u ga
S
a
(Sa
Sb 3
S
c
)
Vdc
d
igb
dt
R L
igb
1 L
u gb
S
b
(Sa
Sb 3
Sc
)
Vdc
digc
dt
R L
igc
1 L
u gc
S
c
(Sa
Sb 3
S
c
)
V
d
c
iga igbigc 0
则
(3.1.2)
diga dt
R L
iga
1
L
uga
(uga
ugb 3
ugc
)
Sa
(Sa
Sb 3
Sc
)
Vdc
digb dt
R L igb
1
L
ugb
(uga
ugb 3
ugc
)
Sb
(Sa
Sb 3
Sc
)
Vdc
(3.1.3)
digc dt
(b) 忽略电阻且功率因数为1
图中，ZRj1L为线路的阻抗， 为功率因数角 17
网侧PWM变换器及其控制
从图可见，若控制交流输入功率因数一定，则变换器交流侧 电压空间矢量vg的末端将始终沿阻抗三角形的斜边滑动
规律：① 在相同的输出负载下(即 i g d 相同)，变换器电流含 超前电流分量( i g q 0)，需要较高的直流母线电压； ② 变换器电流含滞后电流分量( i g q 0 )，需要的直流 母线电压要低一些。
i g 、i g --- 交流输入电流 α 、β分量值；
v g 、v g --- 变换器中三相全控桥(VSC)交流侧电压 α 、β分量值；
S 、S --- 开关函数的 α 、β分量。
13
网侧PWM变换器
➢ 同步旋转坐标系下网侧PWM变换器的数学模型
u gd
R igd
L
digd dt
v
g
c
f cV dc
(3.1.6) (3.1.7)
其中
fa
Sa
(Sa
SbSc) 3
，fb
Sb(SaS3bSc)，fc
Sc
(Sa
SbSc) 113
网侧PWM变换器
则有：
u ga
R iga
L
d iga dt
v ga
u
g
b
R igb
L
d igb dt
v gb
u
g
c
R igc
L
d igc dt
v gc
C
d V dc dt
S aiga
S bigb
S cigc
iload
(3.1.8)
12
网侧PWM变换器
➢ 两相静止α-β坐标系下网侧PWM变换器的数学模型
u g
R ig
L
d ig dt
vg
ug
R ig
L
dig dt
vg
C
dVdc dt
(S ig
S ig ) iload
其中：u g 、u g --- 交流电网电压α 、β 分量值；
L digd dt
1Ligq
vgd
0
Rigq
L
digq dt
1Ligd
vgq
C
dVdc dt
(Sd igd
S q igq ) iload
15
网侧PWM变换器及其控制
➢ 网侧PWM变换器的稳态分析
同步旋转坐标系下，稳态时各状态变量的导数等于零，可 得稳态方程为：
32Ug Rigd 1Ligq vgd
1Ligq
vgd
u gq
R igq
L
digq dt
1Ligd
vgq
C
dVdc dt
(Sdigd
S qigq ) iload
(3.1.21)
其中： u g d 、u g q ---交流电网电压α 、β轴分量； i g d 、i g q ---交流输入电流α 、β轴分量； v g d 、v g q ---三相全控桥(VSC)交流侧电压α 、β轴分量；
R L
igc
1 L
ugc
(uga
ugb 3
ugc
)
Sc
(Sa
Sb 3
Sc
)
Vdc
C
dVdc
dt
Saiga
Sbigb
Scigc
iload
该模型对包括电网电压不平衡、电压畸变等一般情况的分析都适用。
9
网侧PWM变换器
三相电网电压基本平衡时：
ugaugbugc 0
(3.1.4)
并网逆变器 矢量控制以及直接功率控制
1
DPC 概念
➢ 直接转矩控制（DTC） 采用电压空间矢量，跳过 电流控制环节，通过控制电机定子磁链矢量的大小 和转速，进而控制定、转子磁链矢量间夹角（转矩 角或功率角），达到直接控制转矩的目的。
➢ 因 P1 =Te×Ω1 ，对功率P1的控制即为对转矩Te的
控制 基于DTC的原理，开发出直接功率控制（DPC）技 术。
C
dVdc dt
Saiga
Sbigb
Scigc
iload
(3.1.5)
10
网侧PWM变换器
考虑交流侧输出的线电压为：
v
g
a
b
(Sa
S b )V dc
v gbc ( S b S c )V dc
v
g
c
a
(Sc
S a )V dc
输出相电压为：
v
g
a
f