單相并網逆變器矢量控制

房公柱，謝 歆2

（1.吉林電力股份有限公司，吉林 長春130022；2.常州易驅動電氣科技有限公司，江蘇 常州213022）

0 引 言

單相并網逆變器作為新能源并網發電系統和電網的接口設備，其控制目標是實現正弦電流輸出，使其工作在單位功率因數并網模式。并網逆變器輸出電流波形直接影響到光伏發電系統的供電質量，因此，并網逆變器輸出電流控制策略成為新能源并網發電系統研究熱點之一。

PI控制具有算法簡單、可靠性高、開關頻率固定、易于設計等特點，是目前最常用的控制方法之一［1-2］。一般的并網發電系統采用電壓外環電流內環的雙閉環PI控制來實現直流電壓的穩定及調節并網電流的幅值。空間矢量控制方法通過坐標變換，將三相電流變換到與基波頻率同步旋轉的兩相坐標系，穩態時三相正弦電流變成了直流量，而PI調節器對直流信號的放大倍數為無窮大，電流穩態跟蹤誤差接近于零，可以實現電流的無差跟蹤控制。因此，空間矢量控制方案可以獲得高功率因數低諧波的三相并網電流，已廣泛應用于三相并網系統［3-4］。

并網逆變器功率解耦控制和電壓空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術在三相光伏并網發電系統中能夠很好地控制輸入電網功率的有功和無功分量，調節并網功率因數，提高并網質量，提高直流母線電壓的利用率，且其技術已經足夠成熟，因此論文借鑒三相光伏并網控制原理，設計了按電網電壓定向的電壓閉環及有功電流、無功電流閉環的單相功率解耦矢量控制方案。

1 單相并網逆變器直接功率控制設計

1.1 構建靜止兩相坐標系

單相并網系統同三相并網系統有著本質的不同，不能簡單的同三相一樣進行功率解耦控制，單相并網系統只能檢測到一個并網電流和電網電壓。如果單相并網系統要采用三相并網系統的控制方法，則需要虛擬出與并網電壓、并網電流同頻率并滯后其π／2的正交電壓和電流量，虛擬電壓和真實并網電壓通過旋轉變換及鎖相環實現對電網電壓的定位，即電網電壓的相位檢測；虛擬電流和并網真實電流通過旋轉變換實現逆變器輸出電流有功、無功分量的解耦和電流的有效閉環控制。設電網電壓為：

逆變器輸出電流設為：

式中，ω為電網電壓角頻率；U為線電壓有效值；Is是逆變器輸出電流的幅值。

在實際單相系統中只有一個輸出電流變量is和電壓變量uα，為了能夠以三相的控制模型來控制單相系統，需要引入虛擬的電流變量iβ和虛擬的電壓變量uβ，且iβ與is、uβ與uα同頻率，并且iβ滯后isπ／2，Uβ滯后Uαπ／2，可得：

虛擬電流電壓效果如圖1所示。

圖1 虛擬電流電壓效果圖

1.2 單相SVPWM技術原理及實現

與其他傳統PWM技術相比，SVPWM技術具有母線電壓利用率高、易于數字化實現、算法靈活便于實現等優點［5］。由于單相并網發電系統的特點，SVPWM控制技術在單相并網中應用較少，如果能夠將SVPWM控制技術成功應用于單相光伏并網發電系統中，那么單相光伏并網發電系統就可以獲得許多在三相SVPWM技術控制下才能取得的控制效果，而且還可以將當前三相SVPWM技術研究所得的各種成果，應用于單相并網發電系統。

但是單相系統與三相系統有著本質的區別，所以單相系統不能簡單的同三相系統一樣進行空間電壓矢量分析。以三相定義基本電壓矢量為原理，按照逆變橋開關管的開關通斷產生四種離散的輸出線電壓基本矢量。形成四個電壓空間矢量，其中有兩個電壓零矢量（v0、v3），兩個零矢量幅值相同，無相位；兩個非零矢量（v1、v2），兩個非零矢量幅值相等，但是相位不同。它們在坐標平面上的分布如圖2所示。

圖2 矢量空間分布圖

按空間矢量的平行四邊形合成法則，用相鄰的兩個有效工作矢量合成期望的輸出矢量，這就是電壓空間矢量PWM的基本思想。

設Ts為系統PWM載波周期，T1為當前有效電壓矢量作用時間，T0為零矢量作用時間，根據伏秒平衡原理可得

式中，vx為逆變輸出兩個非零矢量vx或vy之一。

當0≤ω1t≤π時，vx=v2，則由上式得

當π≤ω1t≤2π時，vx=v1，則

由式（7）、（8）可確定單相SVPWM技術的實現方法如圖3所示。

圖3 單相SVPWM的實現

1.3 單相并網逆變器控制系統仿真建模

為驗證電網電壓定向矢量控制方案，在Matlab／Simulink軟件下搭建矢量控制系統仿真模型進行仿真分析（如圖4）。

圖4 并網變換器仿真模型

圖5 并網電壓電流波形

圖6 無功給定i q=-4時,并網電流滯后電壓

圖7 無功給定i q=4時,并網電流超前電壓

圖5是無功電流給定為零時的并網電壓電流仿真波形，可以看出電網電壓和逆變器輸出電流同頻反向，證明逆變器向電網輸送電能，且功率因數為1；圖6為無功電流iq=-4時的電網電壓和逆變器輸出電流波形，此時電流超前電壓；圖7為無功電流iq=4時的電網電壓和逆變器輸出電流波形，此時電流滯后于電壓。仿真驗證了所設計控制方案的可行性。

2 結 論

本文借鑒三相光伏并網功率解耦控制原理，在單相光伏并網系統中，通過虛擬一相構造空間電壓矢量，實現了按電網電壓定向的電壓閉環及有功電流、無功電流閉環的單相功率解耦控制策略。詳述了單相SVPWM調制技術原理，并建立仿真模型驗證了所設計控制方案的可行性。

［1］張承慧，葉 穎，陳阿蓮，等.基于輸出電流控制的光伏并網逆變電源［J］.電工技術學報，2007，22（8）：41-45.

［2］王 飛，余世杰，蘇建徽，等.太陽能光伏并網發電系統的研究［J］.電工技術學報，2005，20（5）：72-74.

［3］Lindgren M B.Analysisand simulation of digitally-controlled grid-connected PWM-converters using the spacevector average approximation［J］.IEEE workshop on computers in power electronics，1996，11（8）：85-89.

［4］劉 樹，劉建政，趙爭鳴，等.基于改進MPPT算法的單級式光伏并網系統［J］.清華大學學報（自然科學版），2005，45（7）：873-876.

［5］Zhenyu Yu，Figoli，David.AC Induction Motor Control Using Constant V／Hz Principle and Space-Vector PWM Technique with TMS320C240［R］.Texas Instruments Literature Number SPRA284.