基于比例諧振控制的電流源逆變器性能研究

王超安樹懷秦慶山孫振海吳紹軍

(1.國網山東省電力公司青島供電公司，山東 青島266002；2.山東建筑大學 信息與電氣工程學院，山東 濟南250101；3.山東睿電能源科技有限公司，山東 濟南250101)

0 引言

隨著反向阻斷型功率開關器件和電感儲能技術的發展，具有效率高、體積小等優點的電力電子逆變器在電網中得到了廣泛的應用。相比于傳統的電氣設備，電力電子逆變器更加靈活，能為分布式發電提供無縫接入的可靠接口，在智能電網中起著越來越重要的作用[1]。逆變器通常分為兩類:電壓源逆變器和電流源逆變器。電壓源逆變器輸出特定的脈沖寬度調制PWM(Pulse Width Modulation)電壓波形，電流源逆變器輸出特定的電流波形[2-5]。在傳統的光伏并網系統中，大多采用的逆變器為電壓源性逆變器，其中單極性電壓源性逆變器工作場合只能為直流側電壓高于網側電壓，且直流側電壓為恒定值[6]。隨著功率開關器件和電感儲能技術的發展，在功率范圍為0.4 MW～40.0 MW、電壓范圍為2.3 kV～13.8 kV的中壓驅動系統中，電流源逆變器已成為應用最廣泛的中壓逆變器[7]。電流源逆變器較電壓源逆變器具有短路保護功能、輸出電流可控、更少的電力電子器件等優點，能在直流電壓低于電網電壓峰值的場合中工作，且能在寬范圍內調節直流側電壓[8-9]，這些特性使得電流源逆變器在輸入電流紋波小、單極升壓大容量電能變換等各種功率轉換應用中備受關注，如光伏發電系統、不間斷電源及變速驅動系統[10-11]。

為了保持交流側較低的諧波電流，傳統控制方案通常需要電流源逆變器工作在較高的開關頻率[12]。但電流源逆變器在直流側使用大的直流儲能電感，協同交流側的電感電容濾波環節，出現了電流畸變和震蕩等問題，降低了電能質量，大大制約了電流源型逆變器在分布式PV系統中的發展[13]。通過比較并網逆變器基于傳統比例積分PI(Proportional Integral)控制器與比例諧振 PR(Proportional Resonance)控制器的控制技術及其應用效果發現，即使PI控制的比例系數、積分系數與PR控制的比例系數、諧振系數完全相同，但PR控制下的系統響應時間更快、控制與跟蹤精度更高[14]。鑒于此，文章采用基于PR控制的電流源逆變器，精確地跟蹤正弦波信號[15-17]，分別實現對分布式發電系統電流和系統電壓的優化控制，分析了電流源逆變器的在光伏發電系統和不間斷供電系統UPS(Uninterruptible Power System)2種應用場合的控制方案特性，給出了控制系統的頻域分析，并在光伏系統和不間斷供電系統中驗證了控制策略的有效性。

1 基于比例諧振控制的電流源逆變器配置與控制結構

1.1 光伏發電系統中電流源逆變器配置與控制結構

光伏發電系統的電流源逆變器配置與控制結構如圖1所示。上部是光伏發電系統的電路部分，PV為光伏陣列，Grid代表電網，6個集成門極換流晶閘管IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors)或絕緣柵雙極型晶體管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)用來保證電流從直流側到交流側的單向流動[18]。交流側電容Cf有助于逆變器換流和濾除交流側電流中的諧波，電阻Rs和電感Lf串聯以改善交流側濾波器的衰減能力，逆變器連接電網的電壓為Vg，逆變器直流側連接電感降低直流電流波動，電流源逆變器實現了將直流轉換成交流的功能。下部為光伏發電系統的控制部分，通過PR控制器調節電網電流ig。

電網參考電流可以通過給定的有功功率P*、無功功率Q*和鎖相環給出的電網相角θαβ計算得到。通過比例諧振控制器將換算成逆變器參考電流，用直流側電流id除以可得空間矢量脈寬調制SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)的調試參考變量[19]。相比電壓源逆變器傳統的雙回路控制器跟蹤電網電流，電流源逆變器的單回路控制器跟蹤電網電流具有明顯的優勢。光伏發電系統電流源逆變器的控制結構如圖2所示。圖2中，參考電流為系統輸入，系統電壓擾動為Vg，電網電流ig系統輸出。PR控制器用來實現電網電流跟蹤，其傳遞函數由式(1)表示為

式中:GPR(s)為PR控制器的傳遞函數；kp、kr分別為比例增益、諧振增益；ω0、ωc分別為系統基波頻率、截止頻率，Hz?；赑R控制器的電流控制性能可以用頻域分析法進行分析。ig到Vg的傳遞函數伯德圖如圖3所示?？梢钥闯?，在幾乎所有的頻率下幅值增益都非常小，在基波頻率下更為明顯。因此，電網電流對電網電壓的擾動不敏感。ig到的傳遞函數伯德圖如圖4所示。在基波頻率下ig對的幅頻響應為0 dB，相頻響應為0，表明電流源逆變器具有良好的電流跟蹤性能。

圖1 光伏發電系統電流源逆變器配置與控制結構圖

圖2 光伏發電系統電流源逆變器控制結構方框圖

圖3 電網電流ig對電網電壓Vg的伯德圖

圖4 電網電流ig對參考電流的伯德圖

1.2 不間斷供電系統中電流源逆變器配置與控制結構

當電網供電斷開時，不間斷供電系統UPS可以對負載提供連續的供電。電流源逆變器應用于不間斷供電系統，其結構及相應的控制策略如圖5所示。電流源逆變器的結構與圖1相同，控制的目標變為保持負載側供電的電壓質量。直流側計入電池儲能系統，用DC/DC變換器和電感Ld來降低直流電流id紋波[20]。在電流源逆變器的交流側，非線性負載接入公共連接點用來驗證系統的性能。

圖5的下部為不間斷供電系統逆變器控制結構，與圖1的控制部分相似，為基于PR控制器的單閉環控制系統。PR控制器通過抑制負載諧波電流來保證系統的電壓質量。具有多諧振頻率的比例諧振控制器用來實現準確的電壓跟蹤控制，多諧振頻率PR控制器傳遞函數由式(2)表示為

式中:GV＿PR(s)為多諧振頻率PR控制器傳遞函數；h為頻率階數，當h=1時代表基波頻率，根據系統需求，h可以擴展到 11、13、17、19 等，用來消除 11、13、17、19次等高次諧波；krh和ωch分別為h次諧波下的諧振增益和截止頻率。

不間斷供電系統逆變器的控制結構如圖6所示。圖中系統輸入為公共連節點參考電壓，系統擾動為負載側電流iL，系統輸出為公共連接點電壓VPCC。VPCC到負載側電流iL的傳遞函數伯德圖如圖7所示?？梢钥闯觯敵鲭妷簩ω撦d側電流的響應在所選頻率下幅值增益較低。因此，負載側電流對輸出電壓的影響較小。VPCC到的傳遞函數伯德圖如圖8所示?？梢钥闯觯到y在所選頻率下的幅頻響應為0，相頻響應為0，很好地保證了在基波和所選諧波頻率下的電壓跟蹤控制效果。

圖5 UPS電流源逆變器配置與控制結構圖

圖6 UPS電流源逆變器控制結構圖

圖7 公共連接點電壓對負載電流的響應圖

2 基于比例諧振控制的電流源逆變器性能研究

2.1 光伏發電系統中電流源逆變器的性能研究

為驗證電流源逆變器在光伏發電系統中的性能，進行了仿真試驗。系統仿真中光伏發電系統參數見表1。系統給定參考有功功率為5 kW，參考無功功率為0。電流源逆變器的仿真結果如圖9所示?？梢钥闯?，電網電流與電網電壓同相位，即電網的功率因數為1。PWM開關電流波形如圖9(c)所示，不同于電壓源逆變器輸出連續電流，電流源逆變器輸出電流不連續。因此，電流源逆變器需安裝濾波電容吸收開關紋波。電網電流的諧波頻譜如圖10所示，諧波畸變率THD(Toal Harmonic Distortion)為3.22%，可以看出電流跟蹤控制效果良好，很好地滿足了光伏并網的電能質量要求。

圖8 公共連接點電壓對參考電壓的響應圖

表1 光伏發電系統參數表

圖9 光伏發電系統逆變器仿真結果圖

圖10 光伏發電系統并網點電流諧波頻譜圖

2.2 不間斷供電系統中電流源逆變器性能的研究

為驗證電流源逆變器在不間斷供電系統中的性能，進行了仿真試驗，并對采用比例諧振控制器前后結果進行了對比。仿真中不間斷供電系統參數見表2。僅有基頻比例控制器的控制效果如圖11所示，電壓波形的頻譜圖如圖12所示。由于非線性負載的影響，公共連接點的電壓波形失真嚴重，THD為15.64%。

比例諧振控制器的控制效果如圖13所示，可以看出控制性能比單純基頻比例控制器明顯提高，電壓波形的頻譜圖如圖14所示，公共連接點的電壓波形THD為2.26%，可以看出，5、7次諧波得到明顯抑制。因此，使用比例諧振控制器后，公共連接點電壓不會受到非線性負載諧波的影響。

表2 不間斷供電系統參數表

圖11 UPS逆變器控制仿真效果圖(h=1)

圖12 UPS公共連接點電壓諧波頻譜圖(h=1)

圖13 UPS逆變器控制仿真效果圖(h=1、5、7)

圖14 UPS公共連接點電壓諧波頻譜圖(h=1、5、7)

3 結論

文章分析了電流源逆變器在光伏發電系統和不間斷供電系統2種應用場合的控制方案特性，設計了比例諧振控制器控制策略，給出了控制系統的頻域分析，并進行了仿真驗證，主要結論如下:

(1)在光伏發電系統中，應用基于比例諧振控制的電流源逆變器，電網電流的THD為3.22%，電流跟蹤控制效果良好，能夠很好地滿足了光伏并網的電能質量要求。

(2)在不間斷供電系統中，比例諧振控制器的控制性能比單純基頻比例控制器明顯提高，公共連接點的電壓波形THD為2.26%，使用比例諧振控制器后，公共連接點電壓不會受到非線性負載諧波的影響。