基于PMW三相并網逆變器矢量解耦控制系統的設計

代佳華 張礦偉 程剛 林楠 陳焰

摘 要：三相PWM逆變器是風力發電并網系統的主要部分，開發高性能的逆變器控制策略已成為研究的重點。對于相位幅值逆變控制電路，為電壓單環結構，響應速度慢，且網側存在直流電流偏移量，瞬態時，輸入電壓濾波器會出現振蕩且負載電流會發生畸變。提出一種矢量解耦控制策略，對直流側電容電壓的平衡進行分析與補償設計，給出矢量解耦控制算法的軟件流程。實驗結果表明，該控制策略能獲得較好的控制性能，并能實現單位功率因數校正。該逆變器運行效率高，可靠性好，完全滿足并網要求。

關鍵詞：新能源；三相并網；模型建立；PWM變換器；解耦控制

中圖分類號：TP464 文獻標識碼：A

1 引 言

隨著現代社會對能源需求的不斷增加而傳統能源的供應不斷枯竭，以風力發電為代表的可再生能源發電收到了廣泛重視。作為一種新的發電方式，風力發電贏得了非常重要的發展機遇[1]。風力并網型發電系統憑借成本低、應用廣泛、輸出波形穩定等特點，其應用比例快速增長，已成為新能源技術的主流應用。由于要求風力并網型發電系統輸出的交流電與電網電壓嚴格同步，因此，如何綜合考慮功率變換器的動態性能、系統干擾、輸出波形失真、并網電流和電網電壓同步等問題成為了風力并網發電系統控制的關鍵和難點[2]。基于此，本文采用電壓、電流雙閉環矢量控制策略，設計出矢量解耦的逆變器控制電路，在兩相同步旋轉坐標系下對三相逆變器的電流實現靜態解耦，改善有源逆變的動態響應及抗干擾能力，實現穩定可靠的控制。

2 控制原理及數學模型

2.1 原理

矢量控制策略：給定信號分解成兩個互相垂直而且獨立的直流信號iM、iT，然后通過“直-交變換”將iM、iT交換成兩相交流信號iα、iβ，又經“2/3變換”，得到三相交流的控制信號iA、iB、iC去控制變流電路[4-6]。對PWM逆變器控制也可以采用矢量控制策略，如圖1。

圖1 矢量控制框圖

三相交流電流iA、iB、iC 經過“3/2變換”、“交-直變換”成為互相垂直且獨立的直流量id、iq，再經過“直-交變換”、“2/3變換”，得到三相交流的控制信號iA、iB、iC，控制PWM逆變器[7]。該控制策略有動態響應快、穩態性能好、限流保護等優點。

2.2 三相PWM逆變器dq數學模型

對電壓型逆變器，在三相靜止坐標系ABC中假設：

1.電網電動勢為三相平衡的純正弦波電動勢（Ea、Eb、Ec）；

2.網側濾波電感L（a，b，c）是線性的；

3.主電路的開關視為理想元件，通斷可以用開關函數描述。

在靜止的三相ABC參考坐標系中，經濾波電感L并網的風力并網逆變器的狀態方程如式（1）。

分別是并網電流、逆變器輸出電壓與電網電壓的dq分量；ω為電網電壓基波角頻率。理想狀態下，電網電壓是無任何諧波的純正弦波，在同步旋轉的dq坐標系下，電網電壓矢量可以表示為式（3）。

vgd=0vgq=v（3）

其中，v是電網相電壓的峰值。

實際上，電網電壓總是有諧波污染，不可能是純正弦波，故電網電壓vgd和vgq總有一定的脈動，其幅值和頻率與電網電壓的諧波量有關。但在穩態下，νgd的平均值仍為0。因此在穩態下，逆變器輸出的有功、無功功率如式（4）。

P=vdid+vqiqQ=vqid-udiq（4）

在三相電網電壓平衡的條件下，使并網電流d軸分量與電網電壓交流矢量同步旋轉，則Vq=0。那么逆變器輸出的有功與無功功率分別與dq軸電流成比例，可以實現逆變器輸出有功與無功功率的解耦控制[8]。

3 電路設計

3.1 逆變主電路

三相PWM逆變器的電路結構如圖2示。

電路由三個橋式電路組成，開關管VT1～VT6采用全控型電力電子器件，二極管VD1-VD6為續流二極管，兩者組成IGBT關斷電路。在輸入三相交流電下，當IGBT承受最大正向陽極電壓，而控制極又獲得觸發脈沖時轉入導通狀態[9]。

3.2 三相并網控制結構

三相風力并網逆變系統采用雙環控制。外環由鎖相環和最大功率跟蹤環組成，為內環提供參考線電流；內環由定頻算法、滯環電流控制和三相解耦等模塊組成，用于電流的實際跟蹤，實現并網[10]，三相并網控制結構框圖如圖3示。

檢測三相逆變器交流逆變電壓與電流，經3/2變換，交-直變換，轉換成相互獨立的直流分量，與給定值比較，經PI調節，調節輸出再經過2/3變換成三相交流，控制PWM逆變器產生脈沖。

4 仿真測試及分析

4.1 仿真電路搭建

用MATLAB搭建的三相并網逆變系統的仿真模型，主要由風力電源模塊、逆變主電路模塊、電網模塊和PWM生成模塊組成，如圖4所示。

仿真輸出三相并網電壓波形如圖5示[11-12]。三相并網電壓的周期0.01s，頻率50Hz。與電網的頻率一致，不會對電網造成干擾，完全滿足并網要求。

圖5 三相并網電壓輸出波形

仿真輸出A相的電壓與電流波形如圖6示。

A相電壓與電流周期，頻率相同，相位差90°；電流瞬態響應時間0.005s左右，響應的時間短，逆變器輸出電流完全能夠跟隨給定電流變化。

圖6 A相電壓和電流波形

5 結 論

本文提出了一種采用電壓、電流雙閉環矢量控制策略，設計出三相四橋臂逆變器的矢量解耦控制方案，實現了對三相四橋臂逆變器的矢量解耦控制。建立了三相四橋臂逆變器的空間電路模型，分析了其空間電壓矢量的分布；同時，改善了有源逆變器的動態響應及抗干擾能力，實現穩定可靠的控制。設計電路經仿真測試，系統穩定性可靠、瞬態響應時間短、抗干擾能力強，電壓、電流波形完全滿足并網要求。

參考文獻

[1] 周錐維，羅全明.基于DQ 變換三相三開關Boost型開關整流器的DC和AC分析[J].中國電機工程學報，2002，22（7）：71-75.

[2] 陳潼，趙榮祥.并網逆變器間接電流解耦控制策略的研究[J].電力電子技術，2006，40（3）：8-11.

[3] Song SeungHo，Kang Shinil，H ahm NyeonKun. Implementation and Control of Grid Connected AC—DC—AC Power Converter for Variable Speed Wind Energy Conversion System[C]// Applied Power Electronics Conference and Eaposilion，2003（1）：154-158.

[4] 徐愛國，謝少軍.電容電流瞬時值反饋控制逆變器的數字控制技術研究[J].中國電機工程學報，2005，25（1）：49-53.

[5] 王新勇，許煒，汪顯博.光伏并網逆變器空間電壓矢量雙滯環電流控制新策略[J].電力系統保護與控制，2011，39（10）：110-115.

[6] 徐凱，梁暉，朱寧.分裂電容式PWM 整流器的矢量控制策略研究[J].電力電子技術，2008，42（2）：71-73.

[7] 康怡，楊魯發.IPM在光伏并網逆變器中的應用[J].現代電子技術，2009，20：209-211.

[8] 鄭建勇，劉孝輝. Z源光伏并網逆變器無差拍解耦控制[J].電網技術，2012，36（3）：252-256.

[9] 楊勇，阮毅，吳國祥，等.基于DPWM1的無差拍解耦控制的三相并網逆變器[J].電工技術學報，2012，25（10）：101-107.

[10]劉金琨.滑模變結構控制Matlab仿真[ M] .北京：清華大學出版社， 2005.

[11]周雒維，羅全明.基于DQ變換三相三開關Boost型開關整流器的DC和AC分析[J].中國電機工程學報，2002，22（7）：71-75.

[12]浣喜明，姚為正.電力電子技術[M].北京：高等教育出版社，2004：116-121.

[13]孫馳，畢增軍，魏光輝.基于空間矢量電流調節器的三相四橋臂逆變器的解耦控制研究[J].電工電能新技術，2003，22（3）：38-40.