分布式發電中逆變器的并網技術研究*

文 | 曾維炎，王致杰，張向鋒

?

分布式發電中逆變器的并網技術研究*

文 | 曾維炎，王致杰，張向鋒

隨著能源危機與環境保護越來越受到人們的重視，充分開發各種清潔能源、分布式發電技術成為研究熱點。而逆變器作為分布式發電中的核心部分，如何實現新能源的安全并網和有功無功的輸出是分布式發電亟需解決的問題。

電流控制策略是通過檢測逆變器的輸出電流，并將其作為電流反饋的控制量，從而實現穩定的輸出。該策略有間接電流控制和直接電流控制兩種方法，現在市場上的小功率逆變器多數采用直接電流控制，其具有系統反應速度快，對各種短路、故障很快做出保護措施特點，但這種方法在檢測逆變輸出電流時，需要高精度的互感器，以及相應的高頻率采樣電路。這大大增加了系統的成本，而且不便于后期的檢測與維護。而間接電流控制則避免了上述缺點，以電壓矢量為基礎，通過建立穩定的數學模型，控制占空比，產生SPWM方波，實現逆變器的安全并網。

本文先建立并網逆變器單位功率因數下的矢量模型，然后提出一種基于固定開關頻率的間接電流控制，將該種算法在MATLAB上進行仿真分析，最后做相應的實驗驗證，證明算法的正確性和實用性。

基于矢量圖的間接電流控制

一、并網逆變器的矢量模型

并網逆變器，在理想狀態情況下，其輸出功率因數λ＝1，即電網側電流IN無畸變且與電網電壓UN相位一致，這樣回饋到電網的只有有功功率。圖1為等效模型，圖2為電壓矢量圖。

由圖2可以得：

式中：P為逆變器輸出功率，U0為輸出電壓，UN為電網電壓。

對于SPWM逆變器來說，輸出電壓基波滿足：

式中：m為調制比，Ud為直流側電壓。

其中φ為逆變器輸出電壓與電網電壓的夾角。

在整個控制系統中，功率P由最大功率跟蹤模塊給定，為參考量；感抗X和電阻R由系統給定；可測量輸入為電網電壓有效值UN、直流輸入電壓Ud。

根據功率P和電網電壓有效值UN可計算參考電流有效值。由參考電流有效值、感抗X、電阻R和電網電壓有效值UN可計算并網逆變器輸出基波電壓有效值和相對于電網電壓的相位，而SPWM調制比可由電網電壓UN、直流輸入電壓Ud和相位角得到。至此，SPWM調制的調制比和相位角均已得到，按此調制波在10kHz或20kHz載波調制下，輸出電流基波滿足向量圖關系，即輸出電流與電網電壓同相，功率因數為1。

二、基于改進的固定開關頻率的間接電流控制

由于電網電壓相位和幅值是實時變化的，需要不斷采樣電網電壓信息，通過相應的控制策略，改變占空比，實現逆變器輸出電流對電網的相位跟蹤。

傳統的滯環控制存在開關頻率不固定的缺點，有時會出現很窄的脈沖和很大的電流尖峰，本文依據上述矢量圖提出了一種固定開關頻率控制策略，PWM逆變器的輸出側存在一個矢量三角形關系：

其中u0（t）、uN（t）為逆變器輸出電壓和電網電壓的瞬時值，iN（t）為電網電流的瞬時值。

在一個開關周期內對上式進行平均，得到：

下標AV和上標k表示從tk到tk+1的一個開關周期的平均值，如果開關頻率足夠高，則可以用uN（t）的瞬時值來代替周期平均值uk，同時假設逆變器為理想狀態，實際的周期平均值uk0（AV）與指令信號u*0相一致，于是從上式可以得到：

其中Tc為載波周期，假設輸入電流能在一個周期內跟蹤電流指令i*N，即在一個控制周期結束時有iN(tk+1)＝i*N(tk+1)，則：

該控制方法能夠通過調整電源電壓的比列系數來減小直至消除電源電壓對電流跟蹤偏差的影響，從而顯著改善了逆變器跟蹤的控制性能。

逆變器的控制框圖3，參考電壓Vref與逆變器輸入電壓VDC相比較后，將得到的誤差送入PI調節器得到電流指令I*，再與正弦波形相乘得到正弦指令Iref， Iref與實際輸出的電流相比較后，誤差經P調節后得到的值（物理意義上就相當于逆變器輸出側電感上產生的電壓）與網壓Vac（t）相加得到的波形與三角波比較，便產生了4路PWM波控制逆變器開關管的通斷，這樣就實現了逆變器輸入電壓VDC的穩定，VDC穩定在Vref附近，系統輸出正弦電流波形幅值為I*。

傳統的固定開關頻率是將電流誤差P調節后作為調制波與三角載波比較產生PWM波。其缺點是必須與實際電流存在偏差才能產生PWM波。因此本文改進的控制算法，加入了交流側網壓Vac的計算，即電流誤差信號Iref經過PI調節后與Vac相加，得到的值再與三角載波進行比較。Δi*P在物理意義上就相當于逆變器輸出側電感上產生的電壓。與Vac之和，就相當于逆變器輸出脈沖電壓，這樣構成的矢量圖與逆變器輸出向量圖一致。改進的固定開關頻率的控制策略在保持原有優點的同時，電流跟蹤誤差顯著減小，改善了PWM整流器的電流跟蹤性能。

仿真分析

為驗證上述控制策略，將上述算法在MATLAB進行仿真，仿真波形如圖4。

圖4是基于向量圖的并網逆變器控制算法的Simulink實現，以考察該控制方法的可行性。在仿真框圖中，包含一個并網逆變器主回路：直流母線、H橋逆變電路、線路電阻、濾波電感、電網。逆變電路采用單極性調制，載波頻率10kHz。調制波由控制電路產生，即由上述算法得到調制比m和初始相角φ，由此得到調制信號：S＝m?sin（2πf?t+φ）。調制波與三角載波比較進行單極性調制得到IGBT開關信號驅動IGBT逆變橋實現逆變。

仿真條件和參數：直流母線為600V，電網電壓為220V/50Hz，線路電阻為3Ω，濾波電感為5mH，參考輸出電流有效值為20A，載波頻率10kHz。輸出電流波形和電網電壓波形如圖5所示。從圖5、圖6可以看出，電流波形和電網電壓波形同相，功率因數為1；從FFT（快速傅氏變換）結果來看，輸出電流的THD（諧波失真）為2.51，可以滿足并網要求。

實驗驗證

為了驗證上述控制策略在實際工程中的可行性，本文搭建了相應的實驗平臺，逆變器容量是3kW，主要控制芯片采用TMS2407。

一、基本構成及其功能

逆變器容量是3kW，主要控制芯片采用TMS2407，逆變電源主要由輸入斷路器、預充電回路、逆變橋、LC濾波器、變壓器、EMC濾波器、交流接觸器、交流斷路器、主控單元、遠程通信單元、人機對話單元等幾個部分組成，具體如下圖7所示。

二、實驗分析

根據搭建的實驗平臺，進行逆變器的并網實驗，其實驗波形如圖8、圖9、圖10所示。

圖8表示的波形分別是電網電壓和逆變器輸出電壓，這是在逆變器空載的情況下，逆變器并網的波形。從兩個波形可以看出，逆變器和電網電壓的幅值、相位可以很好的鎖相，符合并網條件。

圖9表示是在負（2kW阻性）載條件下，將逆變器帶負載并網運行，黃色代表電網電壓，綠色波形代表電網輸出電流，藍色色波形帶代表逆變器電流波形，從圖中可以看出，這種情況下逆變器輸出電流很小，主要來自空載損耗，相當于零電流并網，然后通過調節SPWM的占空比，從圖10我們看出逆變器輸出電流（藍色波形）在不斷增大，并且沒有發生波形畸變。通過以上三種不同工況下的波形，可以證實這種算法的可行性，尤其是對小功率并網逆變器有較好實用性。

結論

本文根據逆變器的矢量模型，針對直接電流控制中需要高精度檢測設備帶來的不實用性的缺點，提出一種新型的間接電流控制，采用固定開關頻率控制，實現逆變器的并網運行，采用DSP TI2407作為主控芯片，能夠快速的跟蹤電流的變化，調節逆變器輸出的占空比，實現逆變器向電網傳輸能量。

* 基金項目：上海自然科學基金（No. 14ZR1417200，No.15ZR1417300，12ZR1411600）