三相逆變器并網控制方法研究

王梓銘 毛天龍 李光爍 張婷 蘆至穎 張邁月

摘要：指出了在新能源供電系統中，三相并網逆變器將直流電能通過逆變器轉換成交流電能，并入到公共屯網中，供其他用戶使用。為保證電網運行安全、穩定，對并網的電流和電壓諧波含量、頻率的偏差都有著嚴格的要求和規定，需要滿足諧波含童較低和功率因數為1。研究了并網逆變器電流跟蹤控制策略及SVPWM的調制方式，在PSIM軟件中進行了系統建模與仿真調試，仿真結果表明：實現了逆變器輸出電流和電網電壓擁有相同的頻率和相同的相位，諧波含量較低和功率因數為1，證明了并網逆變器控制方法的正確性。

關鍵詞：三相并網逆變器;SVPWM;電流跟蹤控制;PSIM

中圖分類號：TM464 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2020）4-0172-06

1 引言

隨著社會越來越進步，科技發展迅猛，人們對能源的需求也逐步增加，光伏電能作為取之不盡用之不竭的新能源，成為目前重要能源來源。用戶可以利用光伏逆變器得到三相交流電能，用戶也可以把多余的電能通過逆變器轉換成交流電，收集到電網中，供其他用戶使用。為保證電網的運行能夠更加安全和穩定，世界的各國都對并網的電流和電壓都有著嚴格的要求和規定，其中對于諧波畸變率、頻率的偏差等很多方面都做了有關規定，必須保證進入電網的電流是符合并網的基本要求的，這樣才能保證公共電網安全[1]。逆變技術解決的是直流電變成交流電的問題，如何并網、如何調制、如何調節也是并網的關鍵性問題[2]。

逆變器的控制方法有：PI閉環控制，雙閉環控制，滯環電壓控制，無差拍控制和重復控制[3]。雙閉環控制是電流的比較為內環，電壓控制為外環或者功率為外環，電流環能夠快速地抑制擾動。

逆變器的調制方法中，脈寬調制（PWM）應用最為廣泛，其中空間矢量調制[4，5]已經成為高性能場合的最佳選擇，在數字控制的應用場合中較為常見與廣泛[。空間矢量脈寬調制技術（SVPWM）是實現調制波輸出控制的一種方法，該方法通過空間矢量來實現。

2 三相并網逆變器拓撲結構及數學模型

帶有L型濾波器的三相并網逆變器系統如圖1所示，該結構圖是，T1～T6為三相逆變橋的6個絕緣柵雙極型晶體管IGBT，R是包括每一相的上橋臂和下橋臂晶閘管死區所產生的電壓損耗，及濾波電感內阻的等效電阻，為L型并網濾波器。

利用逆變器交流電壓回路和直流側電流回路建立電路方程組：

3 逆變器控制策略

3.1 電網電壓定向的矢，控制基本原理

對于三相交流對稱系統通過坐標變換，交流電壓電流在d-q坐標系下為為直流變量，可簡化系統分析。三相并網逆變器的輸出電流矢量圖如圖2所示，由圖2可知，d軸以速度ωt同步旋轉，且與電網電壓矢量u重合。

由上述結論，可以得到三相并網系統的瞬時有功功率p和瞬時無功功率q分別為[14]：

逆變側電網電壓理想的情況下，即u_d為某個具體值時，可以知道有功功率p、無功功率q和并網逆變側的輸出電流在d-q坐標系下的i_d和i_q是成正比關系的。當電網電壓為不變量時，并網逆變器的有功功率p，無功功率q可以通過控制i_d和i_q來改變。三相并網逆變器的控制結構如圖3所示。

從圖3可知，基于電網電壓定向的矢量控制系統是一個雙閉環結構，由有功、無功功率外環和有功、無功電流內環組成。功率外環是通過給定值和擾動信號作用，將d-q坐標系下的電網電壓進行作用，輸出內環電流參考值i_q^*和i_d^*。無功電流內環的電流參考值i_q^*為0，這時逆變器運行于單位功率因數狀態下，以此達到電網的電流與電網的電壓相位一致的狀態。電流內環控制的原理其實很簡單，檢測出電網電流是交流變量，經過a-b-c坐標到d—q坐標變換得到對應的旋轉坐標系下的直流變量i_d和i_q，將這兩個實時變量值與電流參考值i_q^*和i_d^*分別進行比較，并分別通過比例調節實現對i_d和i_q進行控制[15]。而電流內環比例控制輸出信號經d—q坐標逆變換到a—b—c坐標系后送入SVPWM控制系統中，開關的驅動信號由脈寬調制得到，最終實現三相并網逆變器的控制。

3.2 電流解耦控制器設計

考慮到電流內環是對稱的，以d軸為例進行比例控制的設計，q軸也可以使用同樣的比例控制。即使是擾動信號考慮進去，電流環控制也非常簡便易懂，解耦后的i_d電流內環控制只是比例值K。

對于功率外環，考慮直流側是在理想的情況下進行的。所以這時直接給定有功功率和無功功率的參考值，有功功率和d—q軸下的交流量u_d相乘，無功功率和d—q軸下的交流量u_q相乘，二者得到的值進行加法作用后與u_d和u_q的平方和相除，最后經過比例系數，得到有功電流參考值;有功功率和d-q軸下的交流量u_q相乘，無功功率和d-q軸下的交流量u_d相乘，二者得到的值進行減法作用后與u_d和u_q的平方和相除，最后經過比例系數，得到無功電流參考值。功率外環控制方程為：

上述式子中，e_d和e_q是電網電動勢矢量在d—q軸下的分量;u_d和u_q是三相并網逆變器交流測電壓的合成矢量在d—q軸下的分量;i_d和i_q三相并網逆變器交流測電流的合成矢量在d—q軸下的分量;P是微分算子。

由上述方程式可以看出來，d—q軸的兩個分量是相互耦合的，但是q軸電流對d軸電流的影響很小，幾乎可以忽略不計，因為d軸電流遠大于q軸下的電流。雖然可以不去考慮q軸下的電流了，但有一個量不能忽略：ωLi_d。ωLi_d作為d軸耦合到q軸的分量，會對q軸電壓e_q產生一定的影響。所以需要進行解耦控制，不然會給電流控制的設計帶來不小的困難。

設：

u'_d=Ri_d+LPi_d（11）

u'_q=Ri_q+LPi_q（12）

從上式（11），（12）可以看出， u_d'和u'_q替換d-q軸的耦合量后，兩軸的電流變得可以獨立控制了，消除了耦合，u'_d和u'_q又可由電流內環的比例調節K控制，u'_d和u'_q可以表示成：

式（13）、（14）中，v_d和v_q是d-q軸電流內環比例調節的輸出量，K表示比例調節增益i_q^*和i_d^*是無功電流和有功的電流參考值，可以得到u_d和u_q的控制方程：

前饋解耦控制使d、q兩軸的電流已經實現了獨立控制，用電網電壓來作為系統的前饋補償，這就進一步提高了系統的動態性能。其實解耦的過程很容易理解，就是在d和q各軸下，把有對方軸下的分量加入到電流比例調節的輸出后面，加入的分量與被控對象產生的耦合量大小相等、方向相反[13]。解耦控制結構如圖4所示。

4 逆變器調制方法

4.1 7段式SVPWM

為了降低PWM開關產生的諧波分量，以每個開關周期閉合和關斷的次數最少為原則，開關動作時序只改變一個橋臂的開關狀態，零矢量平均的分配，可以產生對稱PWM信號。表1為基本矢量在不同扇區的作用順序。

4.2 U_ref所在扇區N的判斷

判斷由U_α和U_β決定的空間電壓矢量到底在哪個扇區內是SVPWM調制的第一步。這里先假設合成電壓矢量落在了第I扇區，即，0°-1