光伏并網逆變器的控制策略研究

鄧 命，席自強，李開成

（湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北武漢 430068）

光伏并網逆變器的控制策略研究

鄧 命，席自強，李開成

（湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北武漢 430068）

闡述了一種基于空間矢量變換的三相并網逆變器的控制策略。建立了在兩相同步旋轉坐標系dq下的逆變器的數學模型，提出了基于空間矢量變換的電壓電流雙閉環控制策略，實現了并網電流的有功分量與無功分量的獨立控制，并給出電流環的解耦控制與電網電壓的前饋控制。提出了一種新的空間矢量算法。仿真結果顯示，采用該控制策略可以很好地改善并網電流質量，并可實現高功率因數并網。

并網逆變器；空間矢量；電壓前饋；雙閉環控制

隨著全球的石油、天然氣、煤等這些不可再生能源的日趨緊張，環境污染問題的加重，人們在迫切尋找可方便利用且無污染的可再生能源。太陽能因其清潔性、方便性、廣泛性等優點，受到世界各國的重視。太陽能的利用方式有很多，其中太陽能光伏發電是主流。在光伏發電站中，一般采用大功率逆變器作為電能變換裝置，逆變器是核心裝置。由于并網逆變器在運行中會受到很多非線性因素的影響，并網電流的輸出波形畸變會比較嚴重，這樣也會嚴重影響到電網，因此，對光伏逆變器的控制要求很高。目前，逆變器的幾種成熟控制技術有無差拍控制、重復控制、滑膜控制、電壓電流雙閉環控制等，電壓電流雙閉環控制因其魯棒性好，算法簡單易控制，系統動態響應速度較快，輸出的電流波形品質較好，應用非常廣泛。本文采用的是空間矢量法。

1 并網逆變器的數學模型

1.1 逆變器的工作原理

光伏發電的核心部分是逆變模塊，電網對逆變器的要求很高，一方面要能穩定直流模塊DC－DC與交流模塊DC－AC之間的直流側電壓；另一方面要能保證逆變器側的輸出電量與電網電量同步，即在幅值、相位、頻率上要嚴格一致，且能提供最大的輸出功率，使功率因數盡可能逼近1.本文采用的逆變器是三相全橋式逆變電路，如圖1所示。在直流模塊DC－DC與交流模塊DC－AC之間通常會設置一個容量足夠大的直流濾波電容。該電容不僅能緩沖兩模塊之間的能量變換，而且也能在兩模塊間的控制上起到解耦作用。在光伏發電系統中，逆變器通常采用的是脈沖寬度調制PWM方式來實現，將直流電轉變為正弦波交流電。本文逆變器中采用的是三相電壓型SVPWM逆變器，選用功率器件IGBT。

圖1 三相并網逆變電路

若忽略高頻分量對電路的影響，則有：

其中，ia、ib、ic為電感電流矢量，ua、ub、uc為逆變器各橋臂的輸出電壓矢量，ea、eb、ec為電網電壓矢量，L為每相濾波電感。

1.2 空間矢量的坐標變換

若三相并網逆變器的設計控制采用基于同步旋轉坐標系的控制，則會十分方便。因此可以采用ABC三相靜止坐標系到dq同步旋轉坐標系的變換法來實現，經過坐標變換后，ABC中的基波正弦變量就轉化為了dq同步旋轉坐標系中的直流變量。圖2為兩個坐標系的轉換圖。定義d軸與電網電動勢矢量e重合，id為有功電流，因q軸超前d軸iq，因此iq為無功電流，在初始條件下，令d軸與A軸重合。

圖2 abc到dq坐標系變換

則有，ABC到dq的變換矩陣為

將上式（1）乘以M，可得到三相并網逆變器在兩相同步旋轉坐標系下的數學模型為

從（3）式中可以看到，控制并網逆變器的有功分量和無功分量，只需控制d軸與q軸的電流即可，這樣就大大簡化了系統的分析與設計。

2 并網逆變器的控制策略

2.1 電壓電流雙閉環控制

對光伏并網系統而言，并網的好壞在很大程度上是由控制系統的性能所決定的，因此如何設計一種合理的控制策略是必須解決的問題。一般采用的模式是電壓外環電流內環的雙環控制，產生的控制信號經過數字信號處理芯片DSP來完成對主電路的控制。

根據瞬時功率理論則有

p為有功功率；q為無功功率。基于電網電壓定向的矢量控制結構圖如圖3所示。

圖3 系統控制原理圖

將實際檢測到的電容電壓udc與給定的參考電壓˙udc相比較，差值經過PI調節器得到˙id，并網逆變器的輸出電流經過鎖相環得到電網電流值ia、ib、ic，通過abc／αβ／dq的坐標變換后，轉換為同步旋轉dq坐標系下的直流量id、iq，將它們分別與電流內環的參考值˙id、˙iq進行比較，通過相應的PI調節器進行調節，得到的輸出信號˙ud、˙uq經過dq／αβ逆變換后，再通過空間矢量脈沖寬調制SVPWM，產生驅動信號Sa、Sb、Sc，來控制功率器件的開關和通斷，從而實現了逆變器的并網。

2.2 電壓外環控制

電壓外環能夠穩定和調節直流電壓，而外環PI則實現了直流電壓的無靜差控制，直流側電壓外環的控制結構如圖4所示。

圖4 直流側電壓環控制結構

Kv、Tv為電壓外環PI調節器參數。由圖（4）可得電壓開環傳遞函數為

當按典型Ⅱ型系統來設計時，可得電壓環PI調節器的參數

2.3 電流內環控制

電流內環是在dq坐標系中實現的，iq電流環與id電流環是相同的，當開關頻率足夠高時，比例增益可近似表示其逆變橋的放大特性。當采用電網電壓的前饋解耦控制時，解耦后的id電流內環控制結構如圖5所示。

圖5 電流內環控制結構

當按典型Ⅰ型系統來設計電流調節器時，取系統阻尼比ξ＝0.707，則有

3 SVPWM算法

變壓器采用SVPWM調制時，能很好的實現對逆變器的控制，且直流電壓的利用率很高，本文采用的就是SVPWM調制策略。如圖6所示，將正交信號uα、uβ輸入到扇區模塊與基礎2矢量作用時間模塊中去，經扇區模塊后得到Uref所在的扇區值A，再將A值輸入到基礎矢量作用時間模塊中去，此模塊是確定其作用時間t1和t2值，t1和t2經過三相時間比較模塊后，可確定三相時間比較值Ta、Tb、Tc，將這三個值輸入到調制模塊中，與給定的載波相比較后，可生產磁鏈PWM脈沖波。

圖6 SVPWM模塊

3.1 扇區值A的確定

由逆變器的開關特性可知，逆變器在工作情況下有8種矢量分布情況，2個零矢量，其他均為基礎矢量，8個矢量都分布在復平面內，將復平面分割成了六個扇形，相鄰的兩個矢量相差Uref，如圖7所示，依據Uref的幅角θ和下面3個判斷式，即可判斷出該矢量處于哪個扇區。

Uα、Uβ為分別在Ud軸、Ud軸的分量；Ud為直流回路電壓

圖7 SVPWM電壓空間矢量及扇區

3.2 矢量作用時間的確定

對于矢量作用時間的確定，可以從任一區域內兩個相鄰矢量作用時間來判斷，假定Uref在區域Ⅰ內，根據式（9）即可算出其作用時間。

Ts為開關周期；M為逆變器三相線電壓最大值與直流側電壓值之比；θ為目標矢量Uref在區域內轉過的角度。同理，可以算出Uref在其他區域內的作用時間。

圖8 矢量圖

4 仿真驗證

為了驗證所述控制策略的正確性與電壓電流雙閉環控制的穩定性及其動態性能，利用Matlab／Simulink工具箱建立基于電網電壓定向的并網逆變器的控制仿真模型，仿真參數為：濾波電感L＝5 mH，開關頻率為50kHz，直流電壓U＝400V，每相并網電流峰值為15A，a為三相電網電壓波形，圖b為三相并網電流波形，圖c為A相電網電壓和A相并網電流波形，其中，A相并網電流波形是放大10倍后所顯示的。從仿真結果可以看出，該控制策略具有快速的動態響應，電感電流能夠很好的跟蹤電網電壓，實現單位功率因數運行。

圖9 仿真結果

5 結論

本文研究了一種基于空間矢量控制的三相并網逆變器，并建立了在d，q坐標系下的逆變器數學模型，對逆變器并網電流進行了電壓電流雙閉環控制，采用了電網電壓的前饋控制，用以補償電網電壓變化對系統控制的影響，提高了系統的動態響應，通過仿真，驗證了控制策略的可行性與有效性。

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［責任編校：張巖芳］

On Control Strategy of Photovoltaic Grid－connected Inverter based on Space Vector Transformation

DENG Ming，XI Zi－qiang，LI Kai－cheng
（School of Electrical﹠Electronic Engin.，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

This paper presents a control strategy of three－phase grid inverter based on space vector modulation.The model of the inverter was built in the two－phase rotating reference frame，the control principle was proposed based on the space vector SPWM current control，which realize the grid current active component and reactive component of the independent control，and presents a decoupled current control and feed－forward of power grid voltage control.The simulation results verify that the proposed control strategy can not only improve the quality of grid current，but also connect the grid with unity power factor.

Grid－connected inverter；Space vector SPWM；voltage feed forward control；Double－loop control

TM571

A

1003－4684（2014）01－0012－04

2013－09－26

鄧 命（1987－），女，湖南岳陽人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動