新能源并網逆變器控制技術研究

趙 海

（安徽省蚌埠市交通運輸綜合行政執法大隊，安徽 蚌埠 233000）

近期受各種因素影響，化石能源價格暴漲，以化石能源為基礎的能源生產、消費方式不斷受到沖擊，這些現象進一步凸顯了能源安全風險，國際能源署近期發表的報告中數據表明，2021年度，全球可再生能源裝機容量穩步增加，與2020年度相比，新增裝機容量約6%。根據中國能源局數據，2021年度，風電、光伏發電量占全社會總用電量的比例約為10%[1]。從長期來看，為實現“碳達峰、碳中和”的目標，我國仍需大力發展新能源發電，新能源的大力發展可以優化能源結構，降低用電成本，治理環境污染問題，是擺脫化石能源發展路徑依賴，實現新型電力系統的重要推手。

可再生能源分為風電、太陽能、微生物能、水能和海洋能等，可再生能源是新能源的主要組成部分之一，新能源發電包含多種類型，主要包括風力發電、太陽能發電、燃料電池發電和生物質發電等形式。目前來看，風電、光伏在新能源發電中占有較大的比重，是新能源發電的主力軍，其中，光伏發電的占地面積小，部署方便，成本較低，光伏發電不僅可以接入電網，也可以孤島運行，為偏遠地區提供電能，集中式光伏電站可以將電能直接輸送到電網。與火力發電采取蒸汽輪機帶動同步發電機的方式不同，光伏發電通過太陽能電池板獲取能量，太陽能電池板產生的直流電無法直接輸送到電網中，需要使用逆變器將直流電轉化為交流電，因此，逆變器性能的優劣，決定了光伏發電系統的電能質量，研究逆變器的控制技術對推廣光伏發電具有重要的意義。

并網逆變器的控制方案有多種，當采用電網電壓定向方案時，通常利用電流環控制確保輸出電流穩定性，同時引入電壓前饋控制提高動態響應性能，鎖相環用于確保相位同步。為了在弱電網下提高逆變器的穩定性，查曉宇等[2]提出了一種基于電容電流反饋主動阻尼，采用微分控制器的改進型全前饋策略，解決了電網電壓前饋誤差問題且降低接入點的諧波含量。張興等[3]考慮了電網阻抗和鎖相環帶寬對系統穩定性的限制，提出了一種改進的前饋控制方法，以減小鎖相環輸出對系統穩定性的影響。王[4]提出一種改進PI控制器的參數，利用電容電流反饋的有源阻尼方法，可在不增加額外控制策略的情況下減少鎖相環的負面影響。

本文圍繞三相光伏并網逆變器的控制技術展開，對光伏逆變器的電路拓撲結構、數學模型和控制參數的整定問題進行研究，并提出利用Matlab/Simulink軟件輔助參數整定的方法，最后通過仿真驗證模型的正確性。

1 并網逆變器的數學模型

1.1 常見坐標變換

所謂坐標變換，就是通過不同的坐標變換矩陣，將電氣分量變換到不同的坐標軸上，達到簡化運算，便于理解的目的。

1.1.1 clark變換

clark變換用于將abc三相靜止坐標系中的分量投影到αβ坐標系中，設三相對稱電壓幅值關系式為

式中：Um為電網電壓的基波幅值；ω為電網電壓的角速度；t為時間。

寫成矢量形式，得到三相合成矢量

將式（1）帶入式（2）中得

根據歐拉公式可知

由式（4）可知，合成矢量是一個幅值為3/2Um，以角速度ωt轉動的矢量。為了確保變換前后矢量的幅值保持不變，在變換矩陣前乘2/3，各坐標軸遵循圖1（a）中坐標軸所示關系，得到clark變換

圖1 不同量之間的關系

1.1.2 park變換

park變換由Robert H.Park最先提出，目的是將三相靜止坐標系中的abc分量或αβ分量投影在旋轉dq坐標系上，采用不同的坐標系會得到不同的park變換矩陣。

當采用圖1（a）所示的坐標系時，將αβ分量轉變為dq分量的park變換為

1.2 并網逆變器的數學模型

并網逆變器的拓撲結構如圖2所示，6個開關管構成三相橋式電路，直流側電壓為Udc，濾波電感值為L，電感寄生電阻值為R。

圖2 并網逆變器拓撲結構

1.2.1 三相靜止坐標系下的數學模型

以三相電源中性點N為參考電位點，利用基爾霍夫電壓定律即可寫出并網逆變器在三相靜止坐標系下的電壓方程

式中：Ua，Ub，Uc是逆變器橋臂輸出相電壓；Ea，Eb，Ec是電網三相電壓；Ia，Ib，Ic是逆變器輸出相電流，對于向電網輸送能量的并網逆變器，電流方向由逆變器流向電網。

1.2.2 兩相靜止坐標系下的數學模型

根據式（5）可知，利用矩陣Tabc-αβ可將三相靜止abc坐標系中的電壓方程轉換為兩相靜止αβ坐標系下的電壓方程，經過轉換后的電壓方程為

1.2.3 旋轉坐標系下的數學模型將式（6）帶入式（8）中可得

進一步化簡并進行拉氏變換可知dq旋轉坐標系下的并網逆變器交流側電壓方程為

2 基于電網電壓定向的矢量控制模型

基于電網電壓定向的電壓電流雙環控制系統采取鎖相環（PLL）獲取電網相位信息，利用park變換實現在旋轉坐標系下的控制。控制系統包含2個控制環，即直流電壓外環和電流內環。其中，外環調制電網電流參考值并確保直流電壓穩定，內環確保輸出電流跟隨參考值。雙環控制系統可以提高系統的動態響應能力。

2.1 基于電網電壓定向的同步旋轉坐標系

根據瞬時功率理論[5]可知，當電網電壓合成矢量E與同步旋轉坐標系中的d軸對齊時，得到基于電網電壓定向的同步旋轉坐標系，如圖1（b）所示。通過控制dq軸的電流分量id，iq就可以實現對有功無功的解耦控制。

2.2 電流內環及其參數整定

2.2.1 內環模型的推導

式（10）表明，d、q分量之間存在的耦合量會影響系統控制精度。本文采取前饋解耦方法實現dq軸之間的解耦控制。如圖3所示，通過前饋解耦，使d軸中的q軸分量ωLIq（s），q軸中的d軸分量-ωLId（s），分別被前饋量-ωLIq（s），ωLId（s）抵消。穩態下，電網電壓E為恒定值，解耦后發現Ud（s）與Id（s）之間存在控制關系，可以在電流環中引入PI控制器進行調節，q軸同理。寫出含有控制器的表達式

式中：kpi為電流環比例系數；kIi為電流環積分系數為dq電流參考。根據式（11），繪制處電流內環控制框如圖3所示。

由圖3可知，電網電壓的前饋補償系數設置為kf，用于補償電網電壓的干擾[6]，kPWM表示逆變器的增益，引入延遲環節T作為采樣時間。

圖3 電流內環控制框圖

2.2.2 內環參數的求解

根據圖3求出電流內環開環傳遞函數

對于Ⅰ型系統，可以采取降階法，令τIi=L/R，將系統降為二階系統，再比照二階系統標準形式，求出阻尼比和自然振蕩頻率

通常可令阻尼比ζ=0.707，將相關參數代入后即可求出控制器的參數。此時參數直接使用往往不能達到最佳效果，仍需通過在線仿真等方式調整，增加了在現場的工作量。根據筆者工作經驗，提出利用Matlab/Simulink軟件輔助設計的方法，在仿真中引入控制框圖及實際參數，利用Simulink軟件中的control system控制系統工具箱輔助參數的確定，該工具箱可以顯示多條響應曲線，方便對比不同參數在響應速度、系統帶寬等性能指標上的優劣，同時還可以自動計算穩定裕度，大大提高了工作效率。

2.3 電壓外環及其參數整定

光伏板通過boost電路將能量傳遞給下一級電路，光伏輸出功率易受環境影響而變化，導致并網逆變器的直流側電壓Udc并不是恒定值，因此引入電壓外環控制器。其開環傳遞函數為

式中：Gi（s）為式（12）所述電流內環控制器的閉環傳遞函數；UDC為直流側電壓穩態值；C為直流側電容值。

與電流內環的求解方法類似，電壓外環的參數整定可以采取二階最佳整定法，也可以采取仿真求解法，需要注意的是，工程實踐中外環輸出作為內環的參考值，要求外環的帶寬遠小于內環帶寬，通常外環帶寬是內環帶寬的1/60～1/50。

3 仿真驗證

使用Simulink軟件提供的“control system”控制系統工具箱中的“Model Linearizer”線性化工具箱，仿真PI控制器取不同參數值時的情況，得到如圖4所示的多條頻域響應曲線，綜合來看，選取2號系統最為合適。

圖4 多個系統的頻域響應

為進一步驗證，在Simulink中搭建仿真模型，將相關參數輸入到仿真模型后進行仿真，得到逆變器輸出電流如圖5所示。

圖5 逆變器輸出電流

仿真結果顯示，逆變器穩態輸出電流波形為標準正弦波，波形基本無畸變，經過快速傅里葉變換分析可知，諧波含量為2.03%，處于相關標準要求范圍內，同時采取仿真輔助設計的方法，節省了設計時間。

4 結論

本文主要推導了并網逆變器在不同坐標系下的模型，給出了基于電網電壓定向的逆變器控制模型的控制框圖并給出了相關參數的求解方法，利用park變換將abc靜止坐標系下的分量轉變為dq旋轉坐標系下的分量，通過電壓外環PI控制器確定d軸電流的參考量，使用電流內環PI控制器確保輸出電流值始終跟蹤給定參考值。電流內環的解耦控制可以分別控制并網有功功率和無功功率，為大規模光伏實現低電壓穿越，參與電網的調壓等提供了條件。