董鉞，芮春保，李釗，劉江華，邱晗

（1.天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所有限公司，天津 300180；2.江蘇輝倫太陽(yáng)能科技有限公司，江蘇 南京 210061）

1 引言

對(duì)于接入380 V電網(wǎng)、且?guī)в袃?chǔ)能單元（通常為蓄電池）的分布式光伏三相并網(wǎng)逆變器，首先要保證本地三相4線負(fù)載供電，特定情況下也要向電網(wǎng)輸出功率，可以采用如下運(yùn)行模式：

1）當(dāng)光伏電池功率超過(guò)本地負(fù)載功率時(shí)，將多余的能量?jī)?chǔ)存在蓄電池內(nèi)，在蓄電池充電完成后，維持浮充狀態(tài)，將剩余能量輸送至電網(wǎng)；

2）當(dāng)負(fù)載功率超過(guò)光伏電池功率時(shí)，由光伏電池和蓄電池共同為本地負(fù)載供電；光伏電池沒(méi)電時(shí)完全由蓄電池供電，蓄電池沒(méi)電時(shí)完全由光伏電池供電，二者互補(bǔ)，不足部分由電網(wǎng)補(bǔ)充；

3）當(dāng)負(fù)載功率超過(guò)逆變器容量時(shí)（某一相、兩相或三相），由光伏逆變器和電網(wǎng)共同承擔(dān)負(fù)載電流。

由于生活負(fù)載中單相負(fù)載較多，通常為三相4線形式（如考慮地線，則為三相5線制），因此負(fù)載電流中除正、負(fù)序分量外還有零序分量。為保證零序電流通路靈活可控，并網(wǎng)逆變器既可采用三單相H橋結(jié)構(gòu)，也可采用三相4橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與前者相比，后者具備如下優(yōu)勢(shì)：

1）電力電子器件由12個(gè)減少為8個(gè)；

2）對(duì)于交流側(cè)無(wú)變壓器的逆變器，三單相H橋結(jié)構(gòu)需要3個(gè)隔離的直流母線，而4橋臂結(jié)構(gòu)只需要一個(gè)直流母線；

3）對(duì)于三單相H橋結(jié)構(gòu)，為減小直流母線倍頻電壓波動(dòng)，需要電容量較大；而三相4橋臂結(jié)構(gòu)，在單相輸出的情況下，輸出容量為總?cè)萘康?/3，可減少直流濾波電容總量。

因此，本文中的并網(wǎng)逆變器采用三相4橋臂結(jié)構(gòu)［1-5］。帶有儲(chǔ)能單元的光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of energy storage PV inverter

在圖1所示結(jié)構(gòu)中，光伏電池所接Boost斬波電路進(jìn)行最大功率跟蹤；蓄電池通過(guò)控制雙向斬波電路輸出到DC Link1的電流，根據(jù)自身充放電曲線，平衡直流輸入與交流輸出之間的功率；DC/DC隔離變換器起隔離作用；逆變器對(duì)本地負(fù)載電流進(jìn)行跟蹤。

對(duì)于并網(wǎng)逆變器，直接控制對(duì)象為并網(wǎng)電流。為保證其動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能，既可采用矢量控制、也可采用比例諧振控制對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用矢量控制，需要根據(jù)電網(wǎng)電壓，對(duì)電流進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換及前饋電流解耦［6］；采用比例諧振控制，可以直接對(duì)正弦電流進(jìn)行無(wú)靜差調(diào)節(jié)。本文采用比例諧振電流控制，并以負(fù)載電流作為逆變器并網(wǎng)電流給定，可以在容量范圍內(nèi)對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行跟蹤。最后，通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可行性。

2 并網(wǎng)電流比例諧振控制器的設(shè)計(jì)

2.1 比例諧振控制器

在控制系統(tǒng)中常用的比例積分（PI）控制器，可以對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差跟蹤。若要對(duì)工頻交流量進(jìn)行穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差控制，通常采用矢量控制，通過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，將交流量變換為直流量，經(jīng)PI控制器后，再將控制器輸出經(jīng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)反變換，還原為交流量。比例諧振控制的本質(zhì)即為將PI控制與坐標(biāo)變換結(jié)合在一起，對(duì)交流量進(jìn)行無(wú)靜差控制，其諧振部分傳遞函數(shù)如下式所示：

式中：Ki為諧振系數(shù)；ω為諧振角頻率，ω=2πf。

由式（1）可知，諧振傳遞函數(shù)即為在角頻率為±ω時(shí)的廣義積分器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意頻率的正弦交流量進(jìn)行無(wú)差跟蹤。

由于在通常情況下ωc取 5～15［7］，而對(duì)于工頻，ω=100π，因此分母可近似表示為

此外，為保證其帶通特性，分子常數(shù)項(xiàng)亦可去掉，故諧振環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可簡(jiǎn)化為

2.2 電流環(huán)傳遞函數(shù)

由于采用比例諧振電流控制，因此，電流環(huán)給定為正弦量。為盡量減小保證逆變器輸出電流中的高頻諧波分量，逆變器輸出端采用LCL濾波，逆變器交流側(cè)數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖2 逆變器交流側(cè)數(shù)學(xué)模型Fig.2 Mathematic model of inverter AC side

圖2中，Lf為濾波電感，Cf為濾波電容，R為阻尼電阻，L為并網(wǎng)電感，Ui為逆變器交流輸出電壓，if為逆變器輸出電流，UI為濾波電容支路電壓，Us為電網(wǎng)電壓，is為逆變器并網(wǎng)電流。

逆變器交直流之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下式所示：

式中：SW為逆變器開關(guān)函數(shù)；Udc為逆變器直流電壓；idc為逆變器直流電流；iLLC為DC/DC隔離變換器（LLC）輸出電流。

由式（3）可知，逆變器交流輸出電壓Ui為開關(guān)函數(shù)與直流電壓乘積，通常情況下，為盡量消除直流電壓波動(dòng)對(duì)交流電流的影響，將電流調(diào)節(jié)器輸出乘以1/Udc，可使逆變電流與直流電壓解耦，消除二者之間的非線性。

此外，為加快電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)的電流響應(yīng)速度，同時(shí)減輕電網(wǎng)電壓畸變引起的并網(wǎng)電流的低次諧波，在電流控制器輸出端引入電網(wǎng)電壓前饋。由圖2可知，采用該措施可使逆變電流與電網(wǎng)電壓解耦。加入比例諧振控制器后的傳遞函數(shù)如圖3所示。

圖3 電流閉環(huán)傳遞函數(shù)Fig.3 Transfer function of inverter current loop

2.3 負(fù)載電流跟蹤

本文中的逆變器，輸出端除并入電網(wǎng)外，還接入本地負(fù)載，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 逆變器輸出結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Output structure of inverter

圖4中，iga，igb，igc為入網(wǎng)電流，iLa，iLb，iLc為本地負(fù)載電流。如圖4所示方向，逆變器并網(wǎng)電流與入網(wǎng)電流代數(shù)和即為本地負(fù)載電流，此電流即可作為逆變器并網(wǎng)電流的給定，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流的跟蹤。

4橋臂逆變器有3個(gè)控制自由度，第4橋臂只對(duì)零序電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，而零線電流為三相線電流之和，因此，第4橋臂控制信號(hào)取前3橋臂調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)代數(shù)和的負(fù)值，即前3橋臂對(duì)正負(fù)序電流分量進(jìn)行控制，而第4橋臂與前3橋臂一起對(duì)零序電流進(jìn)行控制。

此外，為提高直流電壓利用率（使載波調(diào)制方式等同于空間矢量調(diào)制方式），三相線及零線同時(shí)疊加交流偏置信號(hào)［6，8］。4橋臂控制信號(hào)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 逆變器4橋臂控制結(jié)構(gòu)Fig.5 Control structure of inverter four legs

3 實(shí)驗(yàn)波形

逆變器相關(guān)參數(shù)為額定電壓400 V，額定頻率50 Hz，額定容量7.2 kV·A，光伏電池額定功率6 kW，蓄電池額定電壓192 V，蓄電池容量50 Ah。

圖6、圖7為實(shí)驗(yàn)波形（示波器2.95 A/V）。

由實(shí)驗(yàn)波形可見(jiàn)，采用本文所述控制方法，可使逆變器并網(wǎng)電流對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差跟蹤。

圖6 三相對(duì)稱逆變電流波形（輸出為66%額定功率）Fig.6 3?phase symmetrical current waveforms of inverter（66%rated power output）

圖7 由三相對(duì)稱輸出切換至單相滿功率逆變電流波形Fig.7 Current waveforms of inverter when 3?phase symmetrical switch to 1?phase rated power

4 結(jié)論

為適應(yīng)三相4線負(fù)載，本文對(duì)4橋臂逆變器并網(wǎng)電流比例諧振控制方法進(jìn)行了分析與建模，將負(fù)載電流作為逆變器并網(wǎng)電流給定，在逆變器容量范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流的跟蹤。通過(guò)實(shí)驗(yàn)波形驗(yàn)證了該控制方法的有效性與可行性。

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