陳紅兵，張 興，楊淑英

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009;2.湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053）

分布式發(fā)電系統(tǒng)中四橋臂逆變器控制策略

陳紅兵1，2，張 興1，楊淑英1

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009;2.湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053）

由分布式電源構(gòu)成的電網(wǎng)是弱電網(wǎng)，并且給各類負載供電，針對這類電網(wǎng)的特點和電網(wǎng)中負載的狀況，本文提出采用四橋臂逆變器作為分布式發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)接口，提出基于帶通濾波器的分序方法和分序控制策略，解決了四橋臂逆變器基于單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的雙環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能差的問題，在此基礎(chǔ)上搭建了實驗平臺，實驗結(jié)果表明，本文提出的方案徹底改善了逆變器控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，極大地提高了分布式發(fā)電系統(tǒng)在不對稱負載下的運行能力。

四橋臂逆變器;分布式發(fā)電系統(tǒng);帶通濾波器

1 引言

基于風(fēng)能、太陽能、燃料電池等新能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)以其綠色環(huán)保、靈活可靠、運行穩(wěn)定等優(yōu)點受到了廣泛的關(guān)注。分布式發(fā)電系統(tǒng)一般運行于并網(wǎng)模式，但是當(dāng)電網(wǎng)故障或者在電網(wǎng)沒有覆蓋的偏遠地區(qū)，分布式發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)有離網(wǎng)運行能力。離網(wǎng)運行時電能質(zhì)量易受負載特性的影響，特別是在非線性負載和不對稱負載下，分布式發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓可能具有諧波分量、負序分量和零序分量，無法滿足負載的要求。分布式發(fā)電系統(tǒng)一般采用逆變器將電能接入電網(wǎng)，在離網(wǎng)運行時逆變器為負載提供所需的電能，由各種分布式電源組成的分布式電網(wǎng)是一種弱電網(wǎng)，并且電網(wǎng)中接有各類負載，針對這類電網(wǎng)和電網(wǎng)中負載的情況，四橋臂逆變器作為并網(wǎng)接口是最佳方案。

分布式發(fā)電系統(tǒng)中四橋臂逆變器帶不對稱負載能力的強弱很大程度上取決于它的控制策略。四橋臂逆變器常用的控制策略有:單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙環(huán)控制策略［1-3］，該控制策略不能對負載電壓的負序分量和零序分量進行有效控制，負載電壓的對稱度不高;基于 PID算法的電壓單環(huán)控制策略［4-5］比較簡單，容易實現(xiàn)，但是不能有效地限制電感電流;文獻［6-7］提出了基于對稱分量法的雙環(huán)控制策略，但文獻［6］闡述了采用全通濾波器來延時1/4周期的分序算法，該分序算法對電網(wǎng)頻率變化非常敏感。

為了提高分布式發(fā)電系統(tǒng)中四橋臂逆變器帶不對稱負載的能力，本文采用了一種基于帶通濾波器的分序算法，在分序的基礎(chǔ)上構(gòu)建了分序控制策略，實驗表明采用分序控制策略控制的四橋臂逆變器輸出的穩(wěn)態(tài)電壓對稱度高。

2 四橋臂逆變器的數(shù)學(xué)模型

分布式發(fā)電系統(tǒng)中四橋臂逆變器如圖1所示，第1橋臂通過電感Lf與負載中性點相連。根據(jù)電路定律建立逆變器在abc坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型，然后將abc坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中的數(shù)學(xué)模型如下［8-9］:

圖1 四橋臂逆變器Fig.1 Four-leg inverter

式中，Udc、ud、uq和 u0分別為直流側(cè)電壓、負載電壓的 d軸、q軸和0軸分量;id、iq、i0分別為電感電流的d軸、q軸和0軸分量;iLd、iLq、iL0分別為負載電流的d軸、q軸和0軸分量;dd、dq、d0分別為占空比的d軸、q軸和0軸分量。

3 基于帶通濾波器的分序方法

為了確保分布式供電系統(tǒng)中逆變器輸出電壓的質(zhì)量，不僅需要控制輸出電壓的正序分量，還必須有效地控制輸出電壓的負序和零序分量。所以在設(shè)計逆變器控制系統(tǒng)之前，需要對四橋臂逆變器的輸出電流和負載電壓進行相序分解。下面以分解三相不對稱負載電壓為例闡述本文采用的分序方法，假設(shè)不對稱負載電壓為

運用對稱分量法(如式(5）～式(7））把電壓分解成正序、負序和零序等三組對稱的電壓分量，這三組對稱分量分別用up(t）、un(t）和uz(t）表示。

首先采用變換陣 Tαβ把u(t）的正序分量和負序分量變換到αβ坐標(biāo)中，變換過程是

把式(5）、式(6）分別代入式(9），不對稱電壓可以分解成αβ坐標(biāo)系中的正序電壓和負序電壓，變換過程為

4 逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計

圖2 帶通濾波器Fig.2 Self-adaptive band pass filter

四橋臂逆變器在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型如式(1）～式(3）所示(建模型時僅考慮電壓和電流對稱的情況），可見d軸和q軸之間存在耦合項，不便于設(shè)計控制器，采用控制算法式(12）控制逆變器的電感電流，控制算法式(13）控制負載電壓［7，10］，負序和零序的控制算法與此算法相同。

4.1 電流環(huán)的設(shè)計

電流環(huán)采用控制算法式(13）后，逆變器的各序電流分量控制環(huán)都是SISO系統(tǒng)，本文以正序電流d軸分量的控制為例闡述電流環(huán)的設(shè)計，正序d軸電流環(huán)簡化框圖如3圖所示。

圖3中，1/(Tis+1）為電流采樣延遲等效傳遞函數(shù);Kpwm/(0.5Tss+1）為功率主電路等效傳遞函數(shù)，Kpwm為功率主電路增益，Ts為功率器件開通平均延遲時間。

為了保證電流環(huán)的快速跟蹤性，可將電流環(huán)設(shè)計為典型的I型系統(tǒng)。只需以PI調(diào)節(jié)器的零點抵消控制對象的極點即可，所以電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的試探初值按式(14）設(shè)定，然后根據(jù)電流環(huán)特性調(diào)整初探值，使校正后電流環(huán)的截止頻率在1000～2000Hz范圍內(nèi)，調(diào)整時間ts＜2ms，最大超調(diào)量σ＜10%，上升時間 tr＜ 0.3ms。

4.2 電壓環(huán)的設(shè)計

電壓環(huán)的控制框圖如圖4所示，圖中1/(Tus+1）和1/(3Tss+1）分別是采樣延遲傳遞函數(shù)和電流閉環(huán)等效傳遞函數(shù)。

圖4 電流環(huán)控制框圖Fig.4 Block diagram of voltage control loop

電壓開環(huán)傳遞函數(shù)為

電壓開環(huán)傳遞函數(shù)中有兩個小慣性環(huán)節(jié)，可以合并為一個慣性環(huán)節(jié)［6］，合并后電壓環(huán)仍然是Ⅱ型系統(tǒng)。整定外環(huán)時，不僅要考慮電壓環(huán)的跟隨性能，還應(yīng)考慮電壓環(huán)的抗擾性能。為此，對電壓環(huán)按典型的Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計。采用工程設(shè)計方法，電壓調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定如下:

5 實驗結(jié)果分析

實驗的參數(shù)都為:額定功率為20kW，輸出額定電壓的有效值為220V，直流側(cè)電壓 Udc=680V，濾波電感 L=5mH，Lf=2.5mH，r=0.2Ω，濾波電容 C=6μF，開關(guān)頻率為 10kHz。

下文給出了單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)控制策略的實驗結(jié)果及本文所提控制策略的實驗結(jié)果，并對比分析了逆變器在兩種控制策略下的特性。

圖5(a）是單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓d軸分量的給定值和反饋值的波形(q軸上的波形類似），電壓d軸含有2次諧波分量，表明單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的比例積分雙環(huán)控制系統(tǒng)是有靜態(tài)誤差的。圖5(b）是本文提出控制策略的給定電壓波形和反饋電壓波形，穩(wěn)態(tài)后反饋電壓可以很好地跟蹤給定電壓，并且反饋電壓也不含有二次諧波，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性表明了本文提出的控制策略要明顯優(yōu)于單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙環(huán)控制策略。

圖5 負載電壓d軸給定電壓與反饋電壓Fig.5 Command load’s voltage and load’s feedback voltage

帶不對稱負載時逆變器的輸出電壓波形如圖6所示，圖中的電壓波形是對稱的。實驗研究再次表明本文提出的分序方法和控制策略比單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙環(huán)控制策略優(yōu)越得多。

圖6 三相負載電壓Fig.6 Three-phase load’s voltage

6 結(jié)論

為提高分布式發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，本文采用帶通濾波器對四橋臂逆變器的電感電流和負載電壓進行分序，采用分序控制思想控制四橋臂逆變器，實現(xiàn)了無靜差控制，克服了單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中反饋電流和反饋電壓含有二次諧波的缺點，改善了分布式發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。實驗證明，本文提出的分序方法和控制思想正確可行。

References）:

［1］費蘭玲，張凱，蔡院玲 (Fei Lanling，Zhang Kai，Cai Yuanling）.不平衡負載條件下三相四橋臂逆變器的控制(The control of three phase four-bridge arm inverter under the unbalanced load conditions）［J］.通信電源技術(shù) (Telecom Power Techn.），2011，28(3）:4-8.

［2］孫馳，魯軍勇，馬偉明 (Sun Chi，Lu Junyong，Ma Weiming）.一種新的三相四橋臂逆變器控制方法 (A novel control method for three-phase four-leg inverter）［J］.中國電機工程學(xué)報 (Proceedings of the CSEE），2007，22(2）:57-63.

［3］陳瑤，金新民，童亦斌 (Chen Yao，Jin Xinmin，Tong Yibin）.三相四線系統(tǒng)中三相電壓型PWM整流器控制策略(Control strategy of three-phase voltage source PWM rectifier in three-phase four-wire systems）［J］.中國電機工程學(xué)報 (Proceedings of the CSEE），2007，22(7）:64-68.

［4］林金燕，王正仕，陳輝明，等 (Lin Jinyan，Wang Zhengshi，Chen Huiming，et al.）.一種高性能三相四橋臂逆變器控制器的設(shè)計 (High performance controller design for three-phase four-leg inverter）［J］.中國電機工程學(xué)報 (Proceedings of the CSEE），2007，27(22）:101-105.

［5］王正仕，林金燕，陳輝明，等 (Wang Zhengshi，Lin Jinyan，Chen Huiming，et al.）.不平衡非線性負載下分布式供電逆變器的控制 (Control of distributed power inverter with unbalanced and nonlinear loads）［J］.電力系統(tǒng)自動化 (Automation of Electric Power Systems），2008，32(1）:48-51.

［6］張興，陳玲，楊淑英，等 (Zhang Xing，Chen Ling，Yang Shuying，et al.）.離網(wǎng)型小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逆變器的控制(Inverter control of an isolated small scale wind power generation system）［J］.電力系統(tǒng)自動化 (Automation of Electric Power Systems），2008，34(23）:95-99.

［7］Vechiu I，Curea O，Camblong H.Digital control of a three-phase four-leg inverter under unbalanced voltage conditions［A］.2007 European Conference on Power E-lectronics and Applications［C］.2007.1-10.

［8］張崇巍，張興 (Zhang Chongwei，Zhang Xing）.PWM 整流器及其控制 (PWM rectifier and its control）［M］.北京:機械工業(yè)出版社(Beijng:China Machine Press），2003.

［9］董峰斌，皇金鋒，傅周興 (Dong Fengbin，Huang Jinfeng，F(xiàn)u Zhouxing）.一種三相四橋臂逆變器的數(shù)學(xué)模型分析(Analysis of mathematical model for three-phase fourleg inverters）［J］.電力設(shè)備自動化 (Electric Power Automation Equipment），2011，31(6）:98-100.

［10］Wang F，Duarte J L，Hendrix M A M.Design and analysis of active power control strategies for distributed generation inverters under unbalanced grid faults［J］.IET Gener.Transm.Distrib.，2010，4(8）:905-916.

Research on control strategy for four-leg inverter in distribution generation system

CHEN Hong-bing1，2，ZHANG Xing1，YANG Shu-ying1
(1.School of Electric and Automation Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China;2.School of Physics and Electronic Engineering，Hubei University of Arts and Science，Xiangyang 441053，China）

A grid formed with distribution generators is a weak grid，and supplies power energy to all sorts of loads.According to characteristics of distribution generation grid and status of loads，a four-leg inverter has been used as an interface device for forming distribution generation system.A decomposing sequence method with band pass filter has been proposed，and a decomposing sequence control algorithm has been applied to control the four-leg inverter.The parameters of a current controller and a voltage controller have been tuned.Static-state performance of a fourleg inverter controlled by a double loop control method in synchronous rotor frame is poor，and this problem has been solved.Associated control scheme for the distributed generation system based on a four-leg inverter has been designed and constructed so as to confirm the feasibility of the proposed method.Control system static-state performance of a four-leg inverter has been thoroughly improved，and the operation ability of the distributed generation system under the unbalanced loads has been greatly enhanced.

four-leg inverter;distribution generation system;band pass filter

TM461

A

1003-3076(2012）04-0010-05

2011-12-25

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(B20122506）;安徽省自然科學(xué)基金資助項目(090412049）

陳紅兵 (1975-），男，湖北籍，博士研究生，主要研究方向:電力電子與電力傳動;

張 興 (1963-），男，安徽籍，教授，博士，主要研究方向:新能源發(fā)電技術(shù)。