通用PWM變流器控制策略

周迎春，胡志軍湖南理工職業技術學院

通用PWM變流器控制策略

周迎春，胡志軍
湖南理工職業技術學院

隨著社會的不斷進步和科技的不斷發展，在國民生產的各個領域中對供電系統性能的要求也越來越高。PWM變流器作為電能變換的關鍵設備，其控制性能決定了供電系統能否正常的運行。現有的PWM變流器控制方法多存在缺陷，本文對通用的PWM變流器的并網模式、孤島模式等數字控制策略進行分析，研究其控制策略的關鍵性問題，進提高PWM變流器的性能。

PWM變流器；孤島運行；并網控制；數字控制

項目資助：湖南省教育廳科學研究一般項目（編號：17C0742）。

1 、前言

PWM變流器是在電力電子技術不斷發展的基礎上發展起來的，它是風能、燃料電池、太陽能等可再生資源進行分布式發電的單元，在儲能裝置等能源發電系統、微網系統中具有廣泛的應用。現有的PWM變流器的數字控制策略的研究主要集中在電流波形控制、負載功率控制等控制策略上；但是傳統的控制方法在系統處于孤島運行或者并網運行時的一些關鍵性問題上還有很多需要改進的地方。通過分析不同的控制策略對變流器控制時系統運行性能的分析，提出能夠提高PWM變流器通用性的控制策略，是PWM變流器控制策略發展的方向。通過在PWM變流器的控制環節引入神經網絡控制、模型預測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

隨著社會經濟和各行業對供電系統的技術要求不斷提高，PWM變流器被運用得越來越廣泛，它是保障電力拖動系統按照預期方式運行的整體性控制電路。傳統的變流器是利用自然換流器、可關斷晶閘管等元件進行被動調節的；PWM變流器則通過脈寬調節方式，當系統工作于并網模式、孤島模式等模型時，利用相電壓控制PWM、線電壓控制PWM等方式進行控制運行，忽略直流環節、整合調壓調頻、消除低次諧波，進而達到優化供電系統動態性能的目的。

2.2 孤島模式下的控制策略

2.2.1 功率的控制

在孤島運行的模式下，PWM變流器對電力運行模塊進行無功、有功功率的控制，利用控制器對最大功率跟蹤的方式，調整系統無功功率為零，輸出同樣的電流、電壓以使功率因數為1。其中，通過電壓對功率進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，將變流器的參數按照單電壓環控制的電壓需求來設置，以達到系統的穩定，得到更好的瞬態響應。

2.2.2 電壓的控制

PWM變流器在孤島模式下的控制，多采用雙環控制、POSI?CAST控制等技術方法，而雙環控制方法是在通用PWM變流器中運用得最為廣泛的一種方式。雙環控制充分利用電壓、電流環補償器與輸出電壓之間的聯系對變流器進行控制。當電網因故障而斷電時，需要通過分布式發電系統為負載供電，進行能量的補充。轉換控制的方式是將電網從并網模式切換到孤島模式后，讓分布式電源與負載形成一個循環封閉的孤島，進而保持電能的穩定輸送。

2.3 并網模式下的控制策略

在并網模式運行下，通用PWM變流器對其分布式的電源采用功率控制、電流調節等方式，使其內部的負載功率與并網功率之間達到合理的平衡點，將電壓幅值控制在平衡范圍以內，讓無功分量與有功功率之間的差距擴大，進而達到電網穩定運行的目標。基于智能甩負載功能的負載功率控制，將電網與非關鍵性負載斷開以保持負載需求一直控制在電網的供給范圍內。

2.4 Z-源逆變器的特性與應用

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-源阻抗源網絡，具有開路與直通零狀態的正常工作狀態表現。Z-源逆變器具有單級拓撲就能實現電壓的升降，成本低、控制簡單、效率高等優勢，多運用于直流側輸入的電流、電壓變化大的環境中。Z-源逆變器還具備了通用PWM變流器的運用范圍，還在新能源發電供電網絡系統中大放異彩，如在風能發電、光伏發電等發電系統的運用。除此之外，其還在交流調速系統中有著舉足輕重的作用，具備電網電壓跌落的承受功能，還擁有改善直流側電流波形的能力。

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（脈寬調制）逆變器中，在忽略控制延時、輸出功率小于開關頻率的情境下可將其看作一個比例環節，逆變器輸出與調制波之間為一個正比例函數。負載電流作為擾動輸入，其與電容電壓、濾波電感電流之間的聯系越發的緊密，會形成一個反比例函數。這樣在實際的變流器控制過程中，直流母線電壓與前饋環節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，能夠將逆變器的增益整合為單位集體增益。但是由于其負載可能為感性、阻性、非線性負載等不確定性，需要將逆變器設置在滿載的工作狀態中，建立起空載與滿載之間的轉換模型，在外部擾動與逆變器輸出之間建立起新的動態聯系，以消除低諧波所帶來的影響，滿足電壓輸出的要求。

3.2 雙環控制策略

雙環控制是逆變器通過電流內環與電壓外環實現逆變器控制的一種方式。在PWM變流器中，電流內環的帶寬總是高于電壓外環的帶寬，并且能夠同時反映電容電壓與電感電流，提高數字控制延遲的穩定性能。而在電壓外環的閉環傳遞函數頻率控制上，需要利用電流內環的反饋信息，將擾動與輸出之間的頻率調至低頻段，進而提高負載電流的抗擾動能力。

4 、結語

在電力電子技術、微處理器技術等科學技術發展的推動下，PWM變流器在國民生產的多個領域得到廣泛應用，其控制策略的研究決定了PWM變流器的發展前景。本文通過對現有的通用PWM的性能與運用范圍進行分析，發現其通常采用雙環控制、POSICAST控制方法對輸出電壓、負載電流等進行控制。PWM變流器的運用，可以提高電網的運行效率，進而促進微智能功能變流器的運用，推動可再生能源的利用率。

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