通用PWM變流器控制策略

周迎春，胡志軍湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院

通用PWM變流器控制策略

周迎春，胡志軍
湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和科技的不斷發(fā)展，在國(guó)民生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中對(duì)供電系統(tǒng)性能的要求也越來越高。PWM變流器作為電能變換的關(guān)鍵設(shè)備，其控制性能決定了供電系統(tǒng)能否正常的運(yùn)行。現(xiàn)有的PWM變流器控制方法多存在缺陷，本文對(duì)通用的PWM變流器的并網(wǎng)模式、孤島模式等數(shù)字控制策略進(jìn)行分析，研究其控制策略的關(guān)鍵性問題，進(jìn)提高PWM變流器的性能。

PWM變流器；孤島運(yùn)行；并網(wǎng)控制；數(shù)字控制

項(xiàng)目資助：湖南省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目（編號(hào)：17C0742）。

1 、前言

PWM變流器是在電力電子技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是風(fēng)能、燃料電池、太陽(yáng)能等可再生資源進(jìn)行分布式發(fā)電的單元，在儲(chǔ)能裝置等能源發(fā)電系統(tǒng)、微網(wǎng)系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)有的PWM變流器的數(shù)字控制策略的研究主要集中在電流波形控制、負(fù)載功率控制等控制策略上；但是傳統(tǒng)的控制方法在系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行或者并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的一些關(guān)鍵性問題上還有很多需要改進(jìn)的地方。通過分析不同的控制策略對(duì)變流器控制時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行性能的分析，提出能夠提高PWM變流器通用性的控制策略，是PWM變流器控制策略發(fā)展的方向。通過在PWM變流器的控制環(huán)節(jié)引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模型預(yù)測(cè)控制等智能控制方法，可以有效的提高變流器的控制性能。

2 、PWM變流器

2.1 PWM變流器概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和各行業(yè)對(duì)供電系統(tǒng)的技術(shù)要求不斷提高，PWM變流器被運(yùn)用得越來越廣泛，它是保障電力拖動(dòng)系統(tǒng)按照預(yù)期方式運(yùn)行的整體性控制電路。傳統(tǒng)的變流器是利用自然換流器、可關(guān)斷晶閘管等元件進(jìn)行被動(dòng)調(diào)節(jié)的；PWM變流器則通過脈寬調(diào)節(jié)方式，當(dāng)系統(tǒng)工作于并網(wǎng)模式、孤島模式等模型時(shí)，利用相電壓控制PWM、線電壓控制PWM等方式進(jìn)行控制運(yùn)行，忽略直流環(huán)節(jié)、整合調(diào)壓調(diào)頻、消除低次諧波，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化供電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的目的。

2.2 孤島模式下的控制策略

2.2.1 功率的控制

在孤島運(yùn)行的模式下，PWM變流器對(duì)電力運(yùn)行模塊進(jìn)行無功、有功功率的控制，利用控制器對(duì)最大功率跟蹤的方式，調(diào)整系統(tǒng)無功功率為零，輸出同樣的電流、電壓以使功率因數(shù)為1。其中，通過電壓對(duì)功率進(jìn)行控制主要是考慮到PCC電壓與DG輸出電壓之間的電阻大小，將變流器的參數(shù)按照單電壓環(huán)控制的電壓需求來設(shè)置，以達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)定，得到更好的瞬態(tài)響應(yīng)。

2.2.2 電壓的控制

PWM變流器在孤島模式下的控制，多采用雙環(huán)控制、POSI?CAST控制等技術(shù)方法，而雙環(huán)控制方法是在通用PWM變流器中運(yùn)用得最為廣泛的一種方式。雙環(huán)控制充分利用電壓、電流環(huán)補(bǔ)償器與輸出電壓之間的聯(lián)系對(duì)變流器進(jìn)行控制。當(dāng)電網(wǎng)因故障而斷電時(shí)，需要通過分布式發(fā)電系統(tǒng)為負(fù)載供電，進(jìn)行能量的補(bǔ)充。轉(zhuǎn)換控制的方式是將電網(wǎng)從并網(wǎng)模式切換到孤島模式后，讓分布式電源與負(fù)載形成一個(gè)循環(huán)封閉的孤島，進(jìn)而保持電能的穩(wěn)定輸送。

2.3 并網(wǎng)模式下的控制策略

在并網(wǎng)模式運(yùn)行下，通用PWM變流器對(duì)其分布式的電源采用功率控制、電流調(diào)節(jié)等方式，使其內(nèi)部的負(fù)載功率與并網(wǎng)功率之間達(dá)到合理的平衡點(diǎn)，將電壓幅值控制在平衡范圍以內(nèi)，讓無功分量與有功功率之間的差距擴(kuò)大，進(jìn)而達(dá)到電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。基于智能甩負(fù)載功能的負(fù)載功率控制，將電網(wǎng)與非關(guān)鍵性負(fù)載斷開以保持負(fù)載需求一直控制在電網(wǎng)的供給范圍內(nèi)。

2.4 Z-源逆變器的特性與應(yīng)用

Z-源逆變器是一種在電流源/輸入電壓源與逆變橋之間插入Z-源阻抗源網(wǎng)絡(luò)，具有開路與直通零狀態(tài)的正常工作狀態(tài)表現(xiàn)。Z-源逆變器具有單級(jí)拓?fù)渚湍軐?shí)現(xiàn)電壓的升降，成本低、控制簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)勢(shì)，多運(yùn)用于直流側(cè)輸入的電流、電壓變化大的環(huán)境中。Z-源逆變器還具備了通用PWM變流器的運(yùn)用范圍，還在新能源發(fā)電供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中大放異彩，如在風(fēng)能發(fā)電、光伏發(fā)電等發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)用。除此之外，其還在交流調(diào)速系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用，具備電網(wǎng)電壓跌落的承受功能，還擁有改善直流側(cè)電流波形的能力。

3 、PWM變流器的分類控制

3.1 電壓源逆變器的控制

雙極性PWM（脈寬調(diào)制）逆變器中，在忽略控制延時(shí)、輸出功率小于開關(guān)頻率的情境下可將其看作一個(gè)比例環(huán)節(jié)，逆變器輸出與調(diào)制波之間為一個(gè)正比例函數(shù)。負(fù)載電流作為擾動(dòng)輸入，其與電容電壓、濾波電感電流之間的聯(lián)系越發(fā)的緊密，會(huì)形成一個(gè)反比例函數(shù)。這樣在實(shí)際的變流器控制過程中，直流母線電壓與前饋環(huán)節(jié)中的逆變器之間有著固定的增益；而在三角載波幅值在直流母線電壓恒定的情況下，能夠?qū)⒛孀兤鞯脑鲆嬲蠟閱挝患w增益。但是由于其負(fù)載可能為感性、阻性、非線性負(fù)載等不確定性，需要將逆變器設(shè)置在滿載的工作狀態(tài)中，建立起空載與滿載之間的轉(zhuǎn)換模型，在外部擾動(dòng)與逆變器輸出之間建立起新的動(dòng)態(tài)聯(lián)系，以消除低諧波所帶來的影響，滿足電壓輸出的要求。

3.2 雙環(huán)控制策略

雙環(huán)控制是逆變器通過電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)實(shí)現(xiàn)逆變器控制的一種方式。在PWM變流器中，電流內(nèi)環(huán)的帶寬總是高于電壓外環(huán)的帶寬，并且能夠同時(shí)反映電容電壓與電感電流，提高數(shù)字控制延遲的穩(wěn)定性能。而在電壓外環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)頻率控制上，需要利用電流內(nèi)環(huán)的反饋信息，將擾動(dòng)與輸出之間的頻率調(diào)至低頻段，進(jìn)而提高負(fù)載電流的抗擾動(dòng)能力。

4 、結(jié)語(yǔ)

在電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)等科學(xué)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，PWM變流器在國(guó)民生產(chǎn)的多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其控制策略的研究決定了PWM變流器的發(fā)展前景。本文通過對(duì)現(xiàn)有的通用PWM的性能與運(yùn)用范圍進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其通常采用雙環(huán)控制、POSICAST控制方法對(duì)輸出電壓、負(fù)載電流等進(jìn)行控制。PWM變流器的運(yùn)用，可以提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率，進(jìn)而促進(jìn)微智能功能變流器的運(yùn)用，推動(dòng)可再生能源的利用率。

[1]蘇宏升,林宏健,車玉龍.多種Z源逆變器的性能對(duì)比與應(yīng)用背景分析[J].控制工程,2017,（01）∶188-196.

[2]易映萍,羅海,胡四全.小功率光伏并網(wǎng)逆變器控制策略的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2016,（04）∶64-68.

[3]張項(xiàng)安,張新昌,唐云龍,孔波利,崔麗艷.微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的自適應(yīng)主從控制技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2014,（02）∶81-86.