分布式電源并網逆變器諧波抑制方法

韓瑩，陳維榮，李奇，劉志祥

（西南交通大學電氣工程學院，成都610031）

1.圖要精選，應具有自明性，切忌與表及文字表述重復。

2.圖要精心設計和繪制，要大小適中，線條均勻，主輔線分明。

3.坐標圖標目中的量和單位符號應齊全，并分別置于縱、橫坐標軸的外側。

4.圖中的術語、符號、單位等應與表格及文字表述所用的一致。

分布式電源并網逆變器諧波抑制方法

韓瑩，陳維榮，李奇，劉志祥

（西南交通大學電氣工程學院，成都610031）

為了解決傳統的比例-積分（PI）控制器由于自身缺陷引起的電壓、電流諧波問題，提出了兩相同步旋轉坐標系下基于比例-積分-諧振（PIR）控制器的電壓、電流雙閉環逆變器控制策略；同時引入了簡化三電平空間矢量脈寬調制（SVPWM）算法，并在此基礎上提出相電壓重構方法。仿真實驗表明，上述控制策略對指定次諧波具有良好的抑制效果，采用該策略的逆變器具有良好的輸出特性，進而驗證了該控制策略對并網系統的有效性。

并網逆變器；比例-積分-諧振控制器；三電平空間矢量脈寬調制；相電壓重構；總諧波畸變率

近年來，隨著能源危機和環境問題日益嚴峻，含有風力發電、光伏發電及燃料電池等分布式電源的發電系統因其靈活可靠、安全穩定、綠色環保等優點受到了廣泛關注[1-3]。在分布式發電系統中，并網逆變器作為實現電能饋送電網的重要環節，直接影響到分布式發電系統的整體性能。因此，并網逆變器的控制方法成為國內外分布式發電領域研究的熱點問題[3-4]。

基于dq變換坐標系下的前饋解耦PQ控制是目前分布式電源并網逆變器控制的主流控制策略之一，通過跟隨電網電壓，控制注入電流進而調節輸出功率，其實質是將有功功率和無功功率解耦后分別控制[4-6]。在傳統的PQ控制方法中，一般采用電壓、電流雙閉環控制策略，其電流內環一般引入網壓前饋PI控制器。在傳統的分布式發電系統中，系統含有的低次諧波嚴重影響了并網逆變器的輸出電流質量。但在dq坐標系下，PI控制器因自身的缺陷只能實現直流信號的無靜差控制，對于系統諧波引起的交流分量難以實現無靜差控制，使得逆變器輸出一定的低次諧波[6]。

為了解決分布式發電系統的諧波問題，文獻[7]采用基于正負零序分量分解的逆變器控制策略實現對正序、負序和零序分量的獨立控制；文獻[8]提出基于重復PI控制的逆變器控制策略以抑制輸出電流的周期性擾動；文獻[9]提出基于虛擬磁鏈的矢量控制策略實現對諧波的抑制，雖然上述方法對諧波有一定的抑制效果，但是其動態效果差，算法復雜，極大地限制了其應用場合；文獻[10]提出同步旋轉坐標系下的PR控制器實現了對諧波信號的無靜差控制，以改善控制系統的性能。但其只在基波和指定諧波附近具有較大增益，對于低頻擾動的抑制能力很差，難以對并網電流中的直流分量進行有效控制。

本文結合比例-積分-諧振（PIR）控制器和基于電壓矢量重構策略的簡化三電平SVPWM算法的優點，將兩者應用于傳統的電壓、電流雙閉環PQ控制策略中以實現對并網逆變器輸出電能質量的有效控制。在此基礎上建立50 kW分布式電源并網系統仿真模型，仿真結果驗證了該并網逆變器控制策略的正確性和有效性。

1 分布式電源并網系統

圖1為微電源并網系統結構。在分布式電源并網系統中，整流后的分布式電源DG經過DC/AC逆變器和LC濾波器完成從直流到交流的轉換，進而實現將分布式電源提供的直流轉換成與電網系統和負荷設備標準相匹配的電壓和頻率。

圖1 并網系統控制結構Fig.1Structure of grid-connected control system

圖中，DG為由經整流后的分布式電源；Lf和Cf分別為濾波器的濾波電感和濾波電容；Ll為線路電感；Ulk為逆變器濾波前輸出的線路電壓；Ugk為配電網電壓，即

將式（1）從abc坐標系轉換為dq坐標系，則

逆變器輸出功率為

在電網正常情況下，d軸電壓Ugd=Um，q軸電壓Ugq=0。則逆變器輸出功率為

內環電流參考值為

Um在dq坐標系下定義為

將式（6）帶入式（2）得

根據式（5）和式（7）設計的PQ控制器見圖2。

圖2 PQ控制器框圖Fig.2Block diagram of PQ controller

由圖2可知，在dq坐標系下通過有功參考量Pref和無功參考量Qref計算得出電流參考量igd_ref和igq_ref。其值與實際測量得到的電流信號igd和igq作差后經過PI控制器調節后得到dq坐標系下電壓參考信號U′ld以及U′lq。同時，考慮線路電感的耦合影響，引進了電流狀態反饋-ωLiLd和-ωLi′Lq，進而得出dq坐標系下逆變器輸出的電壓分量Uld和Ulq。最后，通過Park反變換得到驅動SVPWM的三相控制分量對逆變器的控制。

2 簡化三電平SVPWM算法及相電壓重構

三電平SVPWM并網逆變器具有直流電壓利用率高、電網電流總諧波畸變率THD（total har－monic distortion）低、輸出電壓變化率相對較低、電磁干擾小、算法簡單、適合數字化等方面的優點，廣泛應用于大功率逆變電路中。傳統的三電平SVPWM算法將整個矢量空間分成6個大區域，再將每個大區域細分成6個小區域，分別求出參考電壓在每個小區域中各個有效矢量作用時間，即對36個小區域分別進行求解，計算繁瑣，難以通過軟件實現[11-13]。三電平電壓空間矢量調制簡化算法如圖3所示，通過電壓坐標平移即可將傳統的三電平SVPWM空間矢量圖分解為6個兩電平SVPWM空間矢量圖，將復雜的三電平SVPWM算法計算轉化為較為成熟的兩電平SVPWM算法。

圖3 三電平電壓空間矢量調制簡化算法Fig.3Simplified algorithm of three-level SVPWM

以扇區1為例，參考電壓空間矢量的修正如圖4所示。參考電壓空間矢量修正量Uref′等于參考電壓矢量Uref減去扇區1所對應的小矢量U1，再分解至αβ兩相靜止坐標系，即：Uref_α′=Uref_α-1/3Udc；Uref_β′=Uref_β。各扇區電壓矢量修正如表1所示。

根據修正后的參考電壓矢量Uref_α′和Uref_β′，利用兩電平SVPWM算法可方便地計算電壓矢量作用時間，然后根據SVPWM 7段式組合原則完成對各個基本矢量對應的開關狀態和作用次序的確定，最終達到簡化三電平SVPWM計算的作用[13]。

圖4 電壓矢量修正圖Fig.4Correction diagram of voltage vector

表1 電壓矢量修正表Tab.1Correction table of voltage vector

3 PIR電流調節器

3.1 PIR控制器的基本原理

PIR控制器是在PI控制器的基礎上引入諧振控制器以提高在指定諧振點的增益，提高逆變器輸出電能質量。諧振控制器通過產生一個給定信號的極點，實現對該信號的增益無窮大，從而達到逆變器閉環無靜差控制的目的[12-14]。理想的諧振控制器傳遞函數為

式中：n為諧波次數；ω0為基波頻率。

理想的諧振控制器相當于諧振頻率為nω0的積分器，在諧振點nω0處增益無窮大，且在諧振點兩側增益急劇下降。在實際應用中，理想諧振控制器無法實現。在理想振控制器中加入衰減項2ωcs（ωc為截止頻率），增加諧振部分在諧振頻率點的增益帶寬，以增強諧振部分對電網頻率偏移的魯棒性，進而提高系統的穩定性。改進后的諧振控制器傳遞函數為

諧振控制器與傳統的PI控制器相結合構成PIR控制器，不僅具有PI控制器良好的穩態性能，還兼具諧振控制器的動態性能。PIR控制器的傳遞函數為

式中：KP為比例系數；KI為積分系數；KRn為n次諧波諧振增益系數。

3.2 PIR電流調節器設計

傳統的PI電流控制器由于帶寬限制難以實現對逆變器輸出電流中大量的5、7、11和13次諧波分量的有效控制。將PIR電流調節器引入分布式電源并網系統中，從而提高在控制器諧振點處的系統增益，以改善并網逆變器的輸出性能。在基波正序同步旋轉坐標系下，逆變器輸出電流的基頻正序、5、7、11、13次諧波分量可分別轉換成直流分量、6倍頻分量和12倍頻分量。對于直流分量可利用PIR電流調節器中的PI控制器部分進行無靜差控制，而通過PIR電流調節器中的6倍頻和12倍頻諧振控制器可以實現對6倍頻分量和12倍頻分量的有效控制，則PIR電流調節器的傳遞函數為

利用雙線性變換法離散為

其中：

3.3 控制器性能分析

PIR控制器以及傳統PI控制器的幅頻和相頻特性如圖5所示，其中在PIR控制器中：KP=2.5，KI=10，KR6=KR12=25，ωc6=ωc12=5；在PI控制器中：KP=2.5，KI=10。由圖5可以看出，PIR控制器相對于傳統的PI控制器能夠有效地增加其在6倍頻和12倍頻諧振點處的增益，提高了系統對諧波的控制性能。

圖5 PI和PIR控制器波特圖Fig.5Bode diagram of PI and PIR controllers

基于PIR調節器的電流閉環控制框圖如圖6所示。圖中：GPIR（s）為PIR電流調節器的傳遞函數；Gd（s）和Gf（s）分別為逆變器和LC濾波器的傳遞函數，則逆變系統的閉環傳遞函數為

其中：

圖6 系統的電流閉環控制框圖Fig.6Block diagram of current closed-loop control system

圖7 為基于PI控制器和PIR控制器的并網系統閉環波特圖比較，其中逆變器采樣頻率Ts= 1/8 000 s，LC濾波器參數為：L=1 mH，R=0.004 Ω，C=50 μF。由圖7可以看出，PIR控制器能夠增加諧振點增益，提高系統穩定性。

圖7 PI和PIR電流調節器閉環波特圖Fig.7Closed-loop Bode diagram of PIR and PI current controllers

4 仿真驗證

在Matlab/Simulink中搭建基于PIR控制器的三電平并網逆變器控制系統模型。系統仿真參數如下：直流母線參考電壓為1 000 V，三相電網線電壓380 V，濾波電感為1 mH，濾波電阻為0.004 Ω，濾波電容為50 μF，低壓配電網容量為380 V/40 MVA，本地負載為1 MW。

圖8和圖9分別為采用傳統的PI電流調節器和PIR電流調節器的仿真結果及其傅里葉分析。由圖8可以看出，采用傳統的PI電流調節器逆變器輸出電流含有大量（6n±1）次諧波分量，特別是5、7、11和13次諧波含量較大，分別為3.2%、1.7%、1.2%和1.9%，輸出電流THD為4.15%，電流畸變較為明顯。采用PIR電流調節器后，仿真結果如圖9所示，逆變器輸出效果具有明顯改善，能夠較好抑制5、7、11和13次諧波分量，諧波含量分別為0.26%、0.24%、0.12%和0.08%，輸出電流總諧波畸變率為1.44%，滿足分布式電源并網要求。

圖8 PI控制器的逆變器仿真結果及輸出電流傅里葉分析Fig.8Simulation results of grid-connected inverter and Fourier analysis of output current based on PI controller

圖9 采用PIR電流調節器逆變器輸出電壓電流波形及傅里葉分析Fig.9Simulation results of grid-connected inverter and Fourier analysis of output current based on PIR controller

5 結語

為了提高分布式發電系統的輸出電能質量，抑制逆變器輸出的低次諧波分量，本文將PIR電流調節器和簡化三電平SVPWM算法應用于傳統的電壓、電流雙閉環并網逆變器控制策略中。實驗結果表明，上述方法能夠有效地控制逆變器輸出的諧波分量，輸出電能質量明顯改善，驗證了所提出逆變器控制策略的正確性和有效性。

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關于論文中的圖

1.圖要精選，應具有自明性，切忌與表及文字表述重復。

2.圖要精心設計和繪制，要大小適中，線條均勻，主輔線分明。

3.坐標圖標目中的量和單位符號應齊全，并分別置于縱、橫坐標軸的外側。

4.圖中的術語、符號、單位等應與表格及文字表述所用的一致。

摘編于《中國高等學校自然科學學報編排規范》（修訂版）

Harmonic Suppression Methods for Grid-connected Inverter of Distributed Generation

HAN Ying，CHEN Wei-rong，LI Qi，LIU Zhi-xiang
（School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In order to overcome the harmonics problems of voltage and current because of self-defect of proportionalintegral（PI）controller，a voltage-current close loop inverter control strategy based on proportion-integration-resonant（PIR）control method is proposed.Furthermore，a method of phase voltage reconstitution is proposed based on simplified 3-level SVPWM algorithm.The simulation result demonstrates that this control strategy can decrease the selected low order harmonics better.The inverter has superior output characteristic，and the correctness and feasibility of the control strategy is verified.

grid-connected inverter；proportional-integral-resonance（PIR）controller；3-level space vector pulse width modulation；phase voltage reconstitution；total harmonic distortion

TM46

A

1003-8930（2014）09-0001-06

韓瑩（1990—），男，碩士研究生，研究方向為燃料電池并網技術、微電網運行與控制。Email：han_ying1009@163.com陳維榮（1965—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為燃料電池混合動力技術、智能信息處理等。Email：wrchen@home.swjtu.edu.cn

李奇（1984—），男，博士，副教授，研究方向為燃料電池并網技術、燃料電池混合動力技術等。Email：liqi0800@163.com

2014-01-23；

2014-03-27

國家自然科學基金項目（51177138）；高等學校博士學科點專項科研基金（20120184120011）；鐵道部科技研究開發計劃（2012J012-D）；四川省國際科技合作與交流研究計劃（2012HH0007）；中央高校基本科研業務費專項資金項目（SWJTU11CX030）