三相兩電平并網逆變器雙閉環控制策略研究

王自立 魯旭

摘要：并網逆變器作為新能源發電系統的核心裝置，是新能源轉換為電能的關鍵所在。針對三相兩電平并網逆變器，首先建立了其數學模型，然后采用了基于電流內環、電壓外環的雙閉環控制策略，最后在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，仿真結果證明了控制策略的正確性與有效性。

關鍵詞：三相兩電平并網逆變器;數學模型;雙閉環;控制策略

0? ? 引言

伴隨著化石能源的枯竭，如今各國都在尋求發展風能、太陽能、水能等可再生能源，以應對能源危機，因此如何將可再生能源轉換為電能，并高質量饋送到電網成為了問題研究的關鍵[1]。并網逆變器作為新能源發電系統的核心裝置，其控制策略的優劣關系到并網成功與否。本文在建立三相兩電平并網逆變器數學模型的基礎上，提出了電壓、電流雙閉環控制策略，并基于Simulink搭建了仿真模型，對文章所提控制策略進行了驗證。

1? ? 數學模型分析

圖1為基于單L濾波器的三相兩電平并網逆變器拓撲結構圖。

根據圖1，并假設電網嚴格對稱，根據基爾霍夫電壓定律（KVL），可列出在三相abc靜止坐標系下三相兩電平并網逆變器輸出電壓關系為：

將公式（1）轉換到兩相旋轉dq坐標系下，則有公式（2）成立：

公式（2）即為dq坐標系下的逆變器數學模型。

采用基于電網電壓定向的矢量控制策略，此時ed與電網電壓幅值相等，eq為0。根據瞬時功率理論，若經并網逆變器傳輸的有功功率為P、無功功率為Q，則有公式（3）成立：

通過公式（3）可知，通過控制直軸、交軸電流id、iq，便可實現對并網逆變器有功與無功的控制。

2? ? 并網逆變器控制策略

2.1? ? 電流內環控制策略

由公式（2）可知，在dq旋轉坐標系下，逆變器交直軸輸出電壓之間相互耦合，無法實現ud、uq的獨立控制，因此需要進行解耦[2]。本文引入了PI控制器，通過在系統的輸入之前增加前饋項，用前饋項抵消系統中的耦合，實現系統變量的獨立控制。引入PI控制器后，方程式（2）可以改寫為：

由公式（4）可以得到電流內環解耦框圖，如圖2所示。

針對并網逆變器的控制一般按最大功率因數進行，因此實際應用中，應使無功為0，由于交軸電流iq控制無功功率，因此交軸電流參考量iq_ref為0;直軸電流參考量則由電壓外環給定。

2.2? ? 電壓外環控制策略

電壓外環作用在于穩定直流母線電壓;在不考慮功率損耗的情況下，直流側有功與交流側有功相等，即有公式（5）成立：

由公式（5）可知，由于ed固定，因此通過改變Udc的大小可以直接改變id。故引入了PI控制器對Udc進行負反饋控制，然后將經PI環節調節后的輸出作為內環的id_ref，從而實現穩定直流母線電壓的目的。電壓外環可用公式（6）表示：

式中，Kp、Ki是電壓外環PI控制器的比例與積分常數;Udc_ref、Udc分別為直流母線電壓指令值與實際值。

電壓外環輸出值則為電流內環直軸電流的指令值。

圖3為雙閉環控制原理示意圖。

3? ? 仿真與分析

為了驗證本文提出控制策略的正確性，在Simulink中搭建了仿真模型，Udc=660 V，L=4.8 mH，el-l=380 V，基波頻率f=50 Hz，開關頻率fs=6 kHz，功率等級P=30 kW。圖4為A相電網電壓與并網電流仿真結果，可以看到并網電流具有良好的正弦性，證明了電流內環控制策略的有效性。

圖5為直流母線電壓仿真結果，可以看到直流母線電壓穩定在660 V左右，證明本文所提的電壓外環控制策略能夠有效穩定直流母線電壓。

圖6為A相電流的THD分析圖，可以看到THD僅為3.47%，小于國家標準5%，滿足并網要求。

4? ? 結語

本文詳細分析了三相兩電平并網逆變器的實現原理及過程，采用了電流內環、電壓外環的雙閉環控制策略，仿真結果證明了本文所提方法的可行性。

[參考文獻]

[1] 丁琦.風電并網逆變器控制策略研究[D].錦州：遼寧工業大學，2019.

[2] 辛雙志，王丙輝，曾洋，等.基于PI控制的兩電平光伏并網逆變器研究[J].電子質量，2017（9）：54-59.

收稿日期：2020-04-22

作者簡介：王自立（1992—），男，河南南陽人，在讀碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動。

魯旭（1995—），男，河南開封人，在讀碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動。