文 | 曾維炎，王致杰，張向鋒

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分布式發(fā)電中逆變器的并網(wǎng)技術(shù)研究*

文 | 曾維炎，王致杰，張向鋒

隨著能源危機(jī)與環(huán)境保護(hù)越來越受到人們的重視，充分開發(fā)各種清潔能源、分布式發(fā)電技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。而逆變器作為分布式發(fā)電中的核心部分，如何實(shí)現(xiàn)新能源的安全并網(wǎng)和有功無功的輸出是分布式發(fā)電亟需解決的問題。

電流控制策略是通過檢測(cè)逆變器的輸出電流，并將其作為電流反饋的控制量，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出。該策略有間接電流控制和直接電流控制兩種方法，現(xiàn)在市場(chǎng)上的小功率逆變器多數(shù)采用直接電流控制，其具有系統(tǒng)反應(yīng)速度快，對(duì)各種短路、故障很快做出保護(hù)措施特點(diǎn)，但這種方法在檢測(cè)逆變輸出電流時(shí)，需要高精度的互感器，以及相應(yīng)的高頻率采樣電路。這大大增加了系統(tǒng)的成本，而且不便于后期的檢測(cè)與維護(hù)。而間接電流控制則避免了上述缺點(diǎn)，以電壓矢量為基礎(chǔ)，通過建立穩(wěn)定的數(shù)學(xué)模型，控制占空比，產(chǎn)生SPWM方波，實(shí)現(xiàn)逆變器的安全并網(wǎng)。

本文先建立并網(wǎng)逆變器單位功率因數(shù)下的矢量模型，然后提出一種基于固定開關(guān)頻率的間接電流控制，將該種算法在MATLAB上進(jìn)行仿真分析，最后做相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明算法的正確性和實(shí)用性。

基于矢量圖的間接電流控制

一、并網(wǎng)逆變器的矢量模型

并網(wǎng)逆變器，在理想狀態(tài)情況下，其輸出功率因數(shù)λ＝1，即電網(wǎng)側(cè)電流IN無畸變且與電網(wǎng)電壓UN相位一致，這樣回饋到電網(wǎng)的只有有功功率。圖1為等效模型，圖2為電壓矢量圖。

由圖2可以得：

式中：P為逆變器輸出功率，U0為輸出電壓，UN為電網(wǎng)電壓。

對(duì)于SPWM逆變器來說，輸出電壓基波滿足：

式中：m為調(diào)制比，Ud為直流側(cè)電壓。

其中φ為逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的夾角。

在整個(gè)控制系統(tǒng)中，功率P由最大功率跟蹤模塊給定，為參考量；感抗X和電阻R由系統(tǒng)給定；可測(cè)量輸入為電網(wǎng)電壓有效值UN、直流輸入電壓Ud。

根據(jù)功率P和電網(wǎng)電壓有效值UN可計(jì)算參考電流有效值。由參考電流有效值、感抗X、電阻R和電網(wǎng)電壓有效值UN可計(jì)算并網(wǎng)逆變器輸出基波電壓有效值和相對(duì)于電網(wǎng)電壓的相位，而SPWM調(diào)制比可由電網(wǎng)電壓UN、直流輸入電壓Ud和相位角得到。至此，SPWM調(diào)制的調(diào)制比和相位角均已得到，按此調(diào)制波在10kHz或20kHz載波調(diào)制下，輸出電流基波滿足向量圖關(guān)系，即輸出電流與電網(wǎng)電壓同相，功率因數(shù)為1。

二、基于改進(jìn)的固定開關(guān)頻率的間接電流控制

由于電網(wǎng)電壓相位和幅值是實(shí)時(shí)變化的，需要不斷采樣電網(wǎng)電壓信息，通過相應(yīng)的控制策略，改變占空比，實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電流對(duì)電網(wǎng)的相位跟蹤。

傳統(tǒng)的滯環(huán)控制存在開關(guān)頻率不固定的缺點(diǎn)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)很窄的脈沖和很大的電流尖峰，本文依據(jù)上述矢量圖提出了一種固定開關(guān)頻率控制策略，PWM逆變器的輸出側(cè)存在一個(gè)矢量三角形關(guān)系：

其中u0（t）、uN（t）為逆變器輸出電壓和電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)值，iN（t）為電網(wǎng)電流的瞬時(shí)值。

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)對(duì)上式進(jìn)行平均，得到：

下標(biāo)AV和上標(biāo)k表示從tk到tk+1的一個(gè)開關(guān)周期的平均值，如果開關(guān)頻率足夠高，則可以用uN（t）的瞬時(shí)值來代替周期平均值uk，同時(shí)假設(shè)逆變器為理想狀態(tài)，實(shí)際的周期平均值uk0（AV）與指令信號(hào)u*0相一致，于是從上式可以得到：

其中Tc為載波周期，假設(shè)輸入電流能在一個(gè)周期內(nèi)跟蹤電流指令i*N，即在一個(gè)控制周期結(jié)束時(shí)有iN(tk+1)＝i*N(tk+1)，則：

該控制方法能夠通過調(diào)整電源電壓的比列系數(shù)來減小直至消除電源電壓對(duì)電流跟蹤偏差的影響，從而顯著改善了逆變器跟蹤的控制性能。

逆變器的控制框圖3，參考電壓Vref與逆變器輸入電壓VDC相比較后，將得到的誤差送入PI調(diào)節(jié)器得到電流指令I(lǐng)*，再與正弦波形相乘得到正弦指令I(lǐng)ref， Iref與實(shí)際輸出的電流相比較后，誤差經(jīng)P調(diào)節(jié)后得到的值（物理意義上就相當(dāng)于逆變器輸出側(cè)電感上產(chǎn)生的電壓）與網(wǎng)壓Vac（t）相加得到的波形與三角波比較，便產(chǎn)生了4路PWM波控制逆變器開關(guān)管的通斷，這樣就實(shí)現(xiàn)了逆變器輸入電壓VDC的穩(wěn)定，VDC穩(wěn)定在Vref附近，系統(tǒng)輸出正弦電流波形幅值為I*。

傳統(tǒng)的固定開關(guān)頻率是將電流誤差P調(diào)節(jié)后作為調(diào)制波與三角載波比較產(chǎn)生PWM波。其缺點(diǎn)是必須與實(shí)際電流存在偏差才能產(chǎn)生PWM波。因此本文改進(jìn)的控制算法，加入了交流側(cè)網(wǎng)壓Vac的計(jì)算，即電流誤差信號(hào)Iref經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后與Vac相加，得到的值再與三角載波進(jìn)行比較。Δi*P在物理意義上就相當(dāng)于逆變器輸出側(cè)電感上產(chǎn)生的電壓。與Vac之和，就相當(dāng)于逆變器輸出脈沖電壓，這樣構(gòu)成的矢量圖與逆變器輸出向量圖一致。改進(jìn)的固定開關(guān)頻率的控制策略在保持原有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，電流跟蹤誤差顯著減小，改善了PWM整流器的電流跟蹤性能。

仿真分析

為驗(yàn)證上述控制策略，將上述算法在MATLAB進(jìn)行仿真，仿真波形如圖4。

圖4是基于向量圖的并網(wǎng)逆變器控制算法的Simulink實(shí)現(xiàn)，以考察該控制方法的可行性。在仿真框圖中，包含一個(gè)并網(wǎng)逆變器主回路：直流母線、H橋逆變電路、線路電阻、濾波電感、電網(wǎng)。逆變電路采用單極性調(diào)制，載波頻率10kHz。調(diào)制波由控制電路產(chǎn)生，即由上述算法得到調(diào)制比m和初始相角φ，由此得到調(diào)制信號(hào)：S＝m?sin（2πf?t+φ）。調(diào)制波與三角載波比較進(jìn)行單極性調(diào)制得到IGBT開關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT逆變橋?qū)崿F(xiàn)逆變。

仿真條件和參數(shù)：直流母線為600V，電網(wǎng)電壓為220V/50Hz，線路電阻為3Ω，濾波電感為5mH，參考輸出電流有效值為20A，載波頻率10kHz。輸出電流波形和電網(wǎng)電壓波形如圖5所示。從圖5、圖6可以看出，電流波形和電網(wǎng)電壓波形同相，功率因數(shù)為1；從FFT（快速傅氏變換）結(jié)果來看，輸出電流的THD（諧波失真）為2.51，可以滿足并網(wǎng)要求。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述控制策略在實(shí)際工程中的可行性，本文搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，逆變器容量是3kW，主要控制芯片采用TMS2407。

一、基本構(gòu)成及其功能

逆變器容量是3kW，主要控制芯片采用TMS2407，逆變電源主要由輸入斷路器、預(yù)充電回路、逆變橋、LC濾波器、變壓器、EMC濾波器、交流接觸器、交流斷路器、主控單元、遠(yuǎn)程通信單元、人機(jī)對(duì)話單元等幾個(gè)部分組成，具體如下圖7所示。

二、實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行逆變器的并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)波形如圖8、圖9、圖10所示。

圖8表示的波形分別是電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電壓，這是在逆變器空載的情況下，逆變器并網(wǎng)的波形。從兩個(gè)波形可以看出，逆變器和電網(wǎng)電壓的幅值、相位可以很好的鎖相，符合并網(wǎng)條件。

圖9表示是在負(fù)（2kW阻性）載條件下，將逆變器帶負(fù)載并網(wǎng)運(yùn)行，黃色代表電網(wǎng)電壓，綠色波形代表電網(wǎng)輸出電流，藍(lán)色色波形帶代表逆變器電流波形，從圖中可以看出，這種情況下逆變器輸出電流很小，主要來自空載損耗，相當(dāng)于零電流并網(wǎng)，然后通過調(diào)節(jié)SPWM的占空比，從圖10我們看出逆變器輸出電流（藍(lán)色波形）在不斷增大，并且沒有發(fā)生波形畸變。通過以上三種不同工況下的波形，可以證實(shí)這種算法的可行性，尤其是對(duì)小功率并網(wǎng)逆變器有較好實(shí)用性。

結(jié)論

本文根據(jù)逆變器的矢量模型，針對(duì)直接電流控制中需要高精度檢測(cè)設(shè)備帶來的不實(shí)用性的缺點(diǎn)，提出一種新型的間接電流控制，采用固定開關(guān)頻率控制，實(shí)現(xiàn)逆變器的并網(wǎng)運(yùn)行，采用DSP TI2407作為主控芯片，能夠快速的跟蹤電流的變化，調(diào)節(jié)逆變器輸出的占空比，實(shí)現(xiàn)逆變器向電網(wǎng)傳輸能量。

* 基金項(xiàng)目：上海自然科學(xué)基金（No. 14ZR1417200，No.15ZR1417300，12ZR1411600）