基于双闭环策略的并网逆变器控制方法研究(精)

基于双闭环策略的并网逆变器控制方法研究
吴婷婷 陈天琴 武奇生 长安大学信息工程学院
为了避免分布式电源并网发电时对电网产生谐波污染，必须对并网电能质量进行控制，电能质量在电压为可控变量时由电压质量决定，但由于电网公共连接点（point of coupling, PCC ）处电压不可控，因而并网电能质量取决于逆变器输出的并网电流的质量。

并网逆变器的控制目标就是在网侧得到近似正弦的电流波形和单位功率因数。

理想情况下，输出电流谐波成对出现在载波(开关)频率和其倍数附近，这些高频分量通过滤波器可以很容易去除。

然而，由于逆变器开关管的不对称和开关死区时间等的影响，往往造成输出电流基波偏离参考电流，并带进低次谐波（典型如3次，5次，7次等）。

直流母线
图1 分布式发电系统构成 图2 并网VSI 系统主电路
相关文献提出了将逆变器方程从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标下，利用同步PI 控制器消除静态误差的思想，相关文献利用这种思想改善了馈网电流质量，但是它给定有功电流和无功电流，独立于逆变器输出电压，当逆变器输出电压质量较低时，达不到预期设定功率因素。

相关文献根据逆变器输出端电压电流瞬时值计算出有功功率和无功功率，分别与给定参考值比较进行调节，但是没有考虑直流侧电压波动问题，当直流侧电压波动较大时，系统调节速度很慢。

基于此，本文根据同步坐标系下的电流特性，提出了将逆变器从三相静止坐标系模型转换到两相同步旋转坐标系下，采用基于同步PI 控制技术的电流内环和直流电压前馈控制外环的双环控制结构，实现了并网电流基波分量在同步旋转坐标轴上的静态无误差调节，有效降低了逆变器死区效应，并抑制了电流低次谐波，取得了网侧电流波形近似为正弦波、单位功率因数运行。

一、 三相逆变电源及模型
并网VSI 系统主电路结构如图2所示。

分布式电源的输出经boost 升压斩波电路形成的直流源接电压型三相逆变桥的直流母线，三相逆变桥的交流输出经电抗器并接电网，其中L 为输出滤波电抗值，x v （,,x a b c =）为逆变器的三相输出电压，x i （,,x a b c =）为逆变器输出电感电流，gx v （,,x a b c =）为三相坐标系下电网电压，dc I 为分布式电源产生的电流，dc V 为直流侧母线电压，C 为直流侧母线电容。

在三相静止坐标系下，逆变器稳态输出时，系统方程为：
11a a ga b b gb c c gc i v v d i v v dt L L i v v ⎡⎤⎡⎤⎡⎤
⎢⎥
⎢⎥⎢⎥=-⎢⎥
⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦ （1）
由（1）式可以看出，只要控制x v 与gx v 就可以控制x i ，而对于同一电网，gx v 是一定的，所以要控制的量就只有x v 。

这种通过控制逆变器输出电压进而控制并网电流的方式，与传统的开环电压控制策略比较，具有动态响应快、过载能力强、控制精度高等优点。

二、 系统控制策略 1.同步电流PI 控制
由于系统中逆变器是三相无中线系统，三相电流之间非独立，系统模型是多输入多输出的耦合系统，将三相静止坐标变换到两相旋转坐标系下，可以简化系统模型，降低系统阶次，其转换公式为：
sin sin(120)sin(120)2cos 3cos(120)cos(120)a d b q c x x t t t x x t t t x ωωωωωω︒︒︒︒⎡⎤
⎡⎤-+⎡⎤⎢⎥
=⎢⎥⎢⎥⎢⎥
-+⎣⎦⎣⎦⎢⎥
⎣⎦ （2）
因此，式（1）转换成：
0110gd d d d q q q gq v i i v d i i v v dt L L ωω⎡⎤
⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦ （3）
其中，ω是电网电压的角频率。

在式（3）中，由于电网的电压三相平衡时d q -轴分量为恒定直流量，但d q -之间的电
流存在耦合，利用文献【5】
提出的解耦方式可得：
*
*()gd d d d q ci cp q gq d q q v i i i L i K d L K i v dt s L i i i ωω⎡⎤-⎡⎤⎡⎤
⎡⎤=++-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦ （4）
式中，cp K 为比例系数，ci K 为积分系数。

同步电流PI 控制方法能够很方便地通过同步旋转坐标系上直流分量的PI 控制，实现电流的无静差控制，简化了控制算法，提高了控制精度。

2.直流电压前馈控制
分布式电源并网运行时，一方面由于分布式电源往往具有强非线性，导致输出直流电压波动；另一方面，由于在起动瞬间并网电流未建立，电网电流会反灌到逆变器的直流侧，给电容充电，形成Boost 变换回路，因此，直流电压波动因素必须通过控制器的调节作用加
以规避【6】。

本文设计的控制器通过平衡直流侧功率与逆变器输出功率来稳定参考电压。

在电压外环的控制作用下，其并网有功电流分量会自动满足系统控制要求，电压外环的控制算法为：
**()()di
d dp dc dc K i K V V s =+
- （5）
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dc d d dc V v i I = （6） 与传统误差比较不一样，文中*dc V 作为误差比较器的负端输入，而其正端输入则为dc V 的
反馈信号。

当*dc dc V V >时，误差信号为正，逆变器输出的*d i 正向增加，即向电网提供有功能量；反之，当*dc dc V V <时，从电网吸收有功能量以维持dc V 的恒定。

由于直流侧电容C 本身并不消耗有功能量，这部分能量只是用来补偿逆变器开关管的损耗，所以从电网吸收的d i 很小。

3.空间矢量PWM
为了增强供电可靠性，提高电能质量，现在的分布式发电并网逆变器装置大都采用PWM 技术。

空间矢量脉宽调制方法（Space Vector Pulse-Width Modulation ，SVPWM ）具有直流电压利用率高、输出电压谐波含量少，控制高效等优点，是PWM 控制高频开关器件中开关模式的首选。

系统中，SVPWM 的输入是d q -坐标系下的逆变器输出参考电压矢量，输出是PWM 调制波以驱动逆变器。

三、结论
本文针对分布式发电系统中，并网逆变器死区效应引起输出电流谐波含量大的特点，提出设计了基于同步PI 内环控制和直流电压前馈外环控制的双闭环电流控制系统，仿真结果看出，采用上述控制策略时，系统的输出并网电流基本与电网电压保持同步，而且并网电流波形较好，正弦度理想，完全能够满足THD 要求。

系统结构简单，容易实现，控制电路简洁。

因此，本文设计的并网逆变器的综合控制系统有利于分布式电源并网发电系统的大规模推广应用。