翁志鵬，宋曉通

(北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，北京 石景山 100144)

0 引言

變流器是使電源系統(tǒng)中電壓、頻率、相數(shù)或其他特性變化的電器設(shè)備，包含整流 (AC/DC)、逆變(DC/AC)、交流變流(AC/AC)和直流變流(DC chopper)等。除主電路拓?fù)渫猓兞髌鬟€需觸發(fā)電路實現(xiàn)功率開關(guān)元件通斷和控制電路實現(xiàn)電能調(diào)節(jié)。其中觸發(fā)電路又包括脈沖發(fā)生器和脈沖輸出器。脈沖發(fā)生器的作用是：根據(jù)控制信號的要求產(chǎn)生一定頻率、寬度或相位的脈沖; 脈沖輸出器的作用是：將產(chǎn)生脈沖的電平放大為適合變流器中功率開關(guān)元件驅(qū)動信號。變流器的觸發(fā)電路按控制方式可分為相控、斬控和頻控電路。采用正弦波的頻控電路實現(xiàn)控制逆變器輸出電壓，改善輸出電壓質(zhì)量。變流器的控制電路按控制方式分為開環(huán)和閉環(huán)控制電路。前者常用于要求不高的專用設(shè)備；后者具有自動調(diào)節(jié)功能，廣泛應(yīng)用于各種工作機械。

本文分別綜述了分布式電源變流器的底層調(diào)制策略、電網(wǎng)非平衡工況下的控制策略、DC/DC策略、DC/AC策略以及電能質(zhì)量的附加控制策略；研究了各控制策略算法的技術(shù)特點、有效性及適用范圍?；谖墨I研究，論述了當(dāng)前的熱點研究方向：結(jié)合現(xiàn)代控制理論，改善DC/DC變換的控制精度和響應(yīng)速度；利用優(yōu)化的恒功率控制策略、下垂控制策略等，提升微網(wǎng)穩(wěn)定性與經(jīng)濟性；在變流器控制策略中抑制三相不平衡和諧波的策略，優(yōu)化電能質(zhì)量。最后展望了變流器控制策略在降低能耗、提升系統(tǒng)穩(wěn)定水平、提高電能轉(zhuǎn)換效率等方面的發(fā)展方向和前景。

1 變流器PWM技術(shù)

脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)根據(jù)相應(yīng)載荷變化調(diào)制晶體管基極或金屬氧化物半導(dǎo)體效應(yīng)管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)柵極的偏置，改變其導(dǎo)通時間，實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓。實現(xiàn)微處理器的數(shù)字信號控制模擬信號。PWM技術(shù)以其控制簡單和動態(tài)響應(yīng)好，廣泛應(yīng)用于測量、通信和功率控制與變換等領(lǐng)域，也是人們研究的熱點。

針對三相三電平PWM整流器的中點平衡問題，文獻[1]提出一種改進的下垂控制策略，dq解耦后的反饋電壓通過下垂系數(shù)修正，提升了電壓的跟蹤精度和系統(tǒng)的迅速響應(yīng)?？紤]到三相PWM變換器并聯(lián)易產(chǎn)生環(huán)流，文獻[2]提出雙環(huán)控制下的雙載波正弦脈寬調(diào)制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)方法，改變零序開關(guān)狀態(tài)減少系統(tǒng)環(huán)流，實現(xiàn)響應(yīng)迅速，環(huán)流抑制明顯的效果。

同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流電壓雙環(huán)控制，常用于三相電壓型PWM整流器。由于交流側(cè)電感差異，電感值會在電流很大、電感飽和時變化，實際控制往往忽略耦合項；此外系統(tǒng)性能也受電壓外環(huán)非線性限制。文獻[3]提出電壓電流雙環(huán)控制策略，電流內(nèi)環(huán)結(jié)合矢量控制和無電感參數(shù)的解耦控制；電壓外環(huán)將電壓平方作為控制量，實現(xiàn)外環(huán)電壓控制。

空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation，SVPWM)算法在降低電壓諧波含量，減少電機損耗方面效果明顯；具有簡單易控，電壓利用率高等優(yōu)點。但在三電平結(jié)構(gòu)中，每個特定電壓矢量α，β坐標(biāo)值并非整數(shù)，運算復(fù)雜，采樣周期長。文獻[4]針對三電平電壓矢量的分布特點，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下分析SVPWM與SPWM算法的聯(lián)系，得到基于SVPWM算法的三相調(diào)制波和占空比公式，簡化了三電平SVPWM算法。

2 變流器在非平衡工況下的控制策略

在負(fù)載不平衡工況下，文獻[5]提出基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下三相四橋臂變流器的優(yōu)化控制策略。輸出電壓由準(zhǔn)比例諧振(proportional resonant，PR)調(diào)節(jié)，參考電壓采取前饋控制方式；針對準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)引起的靜差問題，設(shè)計控制器參數(shù)并調(diào)試。實現(xiàn)負(fù)載不平衡工況下，變流器輸出電壓平衡及動態(tài)性良好。

在三相電壓不平衡工況下，文獻[6]提出基于Park變換的三相電壓基波頻率、正負(fù)序電壓分量鎖相方法。正序d-q坐標(biāo)下q軸電壓分量由負(fù)序d-q坐標(biāo)下d-q軸的電壓分量補償，并鎖定正序電壓相位；負(fù)序電壓初相角由負(fù)序d-q坐標(biāo)中d軸和q軸的直流電壓分量檢測，并鎖定負(fù)序電壓相位。實現(xiàn)三相電壓不平衡工況下，基波頻率、正負(fù)序電壓相位的快速鎖定。

文獻[7]提出電網(wǎng)電壓不平衡下并網(wǎng)變流器在αβ坐標(biāo)系的模型，采用無差拍控制(deadbeat control，DBC)跟蹤給定電流，運用兩步預(yù)測法應(yīng)對DBC補償延時。實際系統(tǒng)中，為減少采樣誤差對電流控制的影響，提出帶電流校正的DBC方法，提高系統(tǒng)的精度。文獻[8]通過擴張狀態(tài)觀測器估計d-q軸電流耦合引起的誤差，采取自抗擾控制器前饋解耦的方式減少誤差，增強了可再生能源并入電網(wǎng)的適應(yīng)性。

3 變流器DC/DC策略

DC/DC變換控制方式根據(jù)能量流動方向可分為PWM和脈沖頻率調(diào)制(pulse frequency modulation，PFM)[9]?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展，涌現(xiàn)出如滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制、智能控制等[10]方法，在降低誤差和增強系統(tǒng)性能方面效果明顯。文獻[11]為解決傳統(tǒng)比例積分微分(proportional integral derivative,PID)控制引起的超調(diào)現(xiàn)象，采取安排過渡過程的PID控制器減少了系統(tǒng)超調(diào)量。

滑模變結(jié)構(gòu)控制是當(dāng)前研究熱點?；＿\動具有較小的超調(diào)量，能維持系統(tǒng)良好的動態(tài)性，適用于離散和非線性系統(tǒng)。但滑模變結(jié)構(gòu)控制中抖振現(xiàn)象易引起電壓紋波。目前消除抖振的方法有:

(1) 采取連續(xù)控制方式消除抖振。

(2) 更改趨近率到適當(dāng)值削弱抖振。

(3) 結(jié)合智能控制理論方法削弱抖振。

魯棒控制是處理外加擾動和不確定性的有力工具，但在小信號建模方面精度不高, 且控制器結(jié)構(gòu)不可變[12]。

自適應(yīng)控制通過調(diào)整響應(yīng)系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)對應(yīng)變量及控制參數(shù)的偏差，達到系統(tǒng)同步。但需辨識參數(shù)或在線估計，實時性不佳。

智能控制包括模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進控制策略，是現(xiàn)代控制理論發(fā)展成果之一。其中模糊控制精度較差，無自適應(yīng)與自學(xué)習(xí)能力。常將模糊控制與其它控制理論結(jié)合，獲得更理想效果。目前，模糊控制與遺傳算法相結(jié)合是研究的熱點。

目前DC/DC變換器控制的研究方向主要集中在：

(1) 更具精度和實用的建模研究。

(2) 與現(xiàn)代智能控制方法融合研究。

(3) 控制器的集成化及控制方法的數(shù)字化研究。

4 變流器DC/AC策略

4.1 恒功率控制

恒功率控制(PQ control)是對分布式電源的輸出有功和無功進行控制，維持分布式電源期望PQ出力。為了使并網(wǎng)逆變器的有功保持在參考值附近，根據(jù)頻率特性曲線調(diào)整控制有功的控制器；為了使無功的輸出也維持在參考值附近，根據(jù)電壓特性曲線調(diào)整控制無功的控制器。

恒功率控制策略在并網(wǎng)電壓不平衡工況下的適應(yīng)性問題引起不少學(xué)者的關(guān)注。文獻[13]在原有PQ控制中疊加了一個前饋電壓負(fù)序控制環(huán)，通過改進開關(guān)函數(shù)抑制3次諧波輸出，增強了微網(wǎng)在電網(wǎng)電壓不平衡下的適應(yīng)性。微網(wǎng)中分布式電源在并網(wǎng)模式下常采用PQ控制，而影響系統(tǒng)輸出效果的重要因素是濾波參數(shù)和比例積分(proportional integral，PI)參數(shù)。文獻[14]在整定PI參數(shù)時，考慮比例系數(shù)的變化對系統(tǒng)影響更大，先調(diào)節(jié)PI系數(shù)，再調(diào)節(jié)積分常數(shù)。實現(xiàn)在參數(shù)正確選取下的PQ控制，改善輸出波形質(zhì)量。

基于平衡假設(shè)的前饋解耦PQ控制是典型微網(wǎng)控制策略。通過功率分析，利用開關(guān)函數(shù)分析逆變器輸出性能，得出電網(wǎng)電壓不平衡下逆變器的3次諧波和負(fù)序分量。文獻[15]在原有PQ控制上疊加前饋負(fù)序電壓控制環(huán)抵消電網(wǎng)電壓負(fù)序分量，有效降低了3次諧波分量輸出。

4.2 V/f控制

V/f控制是將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率信號，使輸出頻率與輸入電壓成比例。文獻[16]針對早期逆變型DG組成的微網(wǎng)在孤島運行時短路計算研究的空白，提出含DG的微網(wǎng)故障V/f控制方法?？紤]控制策略的影響和DG故障時的暫態(tài)特性，通過DG故障等值模型，建立故障方程組，優(yōu)化微網(wǎng)故障穩(wěn)態(tài)分析。文獻[17]以實現(xiàn)配電網(wǎng)孤島運行，提高電網(wǎng)可靠性為目的。在傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)上增加虛擬電感，實現(xiàn)有功和無功的解耦控制，并給出虛擬電感求取方法。通過荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)調(diào)節(jié)下垂控制有功參數(shù)，合理分配有功功率在不同儲能系統(tǒng)間的取值。

文獻[18]針對V/f控制下獨立微網(wǎng)變流器參數(shù)設(shè)計問題，利用極點配置給出基于V/f控制的PI參數(shù)設(shè)計并建立微網(wǎng)變流器控制框圖及模型。結(jié)果表明了該設(shè)計的有效性，并為控制參數(shù)設(shè)計提供了依據(jù)。

4.3 下垂控制

下垂控制是指選擇與傳統(tǒng)發(fā)電機相似的頻率一次下垂特性曲線(droop character)控制微源，通過P/f下垂控制和Q/v下垂控制獲取穩(wěn)定的頻率和電壓，實現(xiàn)對微源輸出有功和無功控制，即插即用和對等控制的功能，保證孤島下微網(wǎng)電力平衡和頻率統(tǒng)一。

為保證微網(wǎng)與電網(wǎng)的同步，文獻[19]在傳統(tǒng)下垂控制上加入功率給定環(huán)節(jié)，實現(xiàn)微網(wǎng)有功與無功、電壓與頻率間的獨立解耦，通過三相鎖相環(huán)和PI控制，提升了微網(wǎng)可靠性。文獻[20]基于下垂控制優(yōu)化逆變器輸出電壓：當(dāng)負(fù)荷變化時，逆變器輸出電壓粗調(diào)和微調(diào)相結(jié)合，保證逆變器負(fù)荷功率均分。并對不同線路的2臺同容量逆變器仿真。實現(xiàn)并聯(lián)逆變器負(fù)荷功率均分及電能質(zhì)量的優(yōu)化，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)性。而文獻[21]采取電壓分解與雙環(huán)控制相結(jié)合的方法，改善了儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)波動與負(fù)載不平衡下電壓響應(yīng)不及時和不平衡的問題。

影響微源輸出無功不均分的因素有：

(1) 輸出電壓幅值不等。

(2) 線路阻抗差異。

(3) 微電網(wǎng)本身復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

文獻[22]提出一種優(yōu)化的下垂控制策略。在傳統(tǒng)無功下垂控制中加入線路壓降和接入點電壓反饋，穩(wěn)定輸出電壓幅值，提高無功功率均分度，增強微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖1 諧波治理分類圖Fig.1 Classification chart of harmonic control

影響并網(wǎng)模式下的功率控制因素有電網(wǎng)電壓波動和電網(wǎng)頻率，且傳統(tǒng)的下垂控制中無功控制本身存在一定誤差。因此文獻[23]提出對電網(wǎng)電壓幅值和電網(wǎng)頻率作前饋控制削弱電網(wǎng)波動，公共連接點(point of common coupling，PCC)電壓幅值控制實現(xiàn)無功的無靜差跟蹤。文獻[24]基于儲能電池的充放電功率和工作狀態(tài)，明確了光伏發(fā)電和風(fēng)電機組的出力策略。采用自適應(yīng)下垂控制調(diào)整組網(wǎng)電源的功率裕度和微源下垂系數(shù)，增強微源的自身調(diào)節(jié)和功率支撐潛力。

鑒于下垂三環(huán)控制的微網(wǎng)變流器并網(wǎng)運行時電網(wǎng)電壓諧波污染問題，文獻[25]在不增加下垂三環(huán)控制的基礎(chǔ)上，改進傳統(tǒng)電壓控制，提出抑制輸出諧波的方法。在相同諧波環(huán)境下能將輸出諧波電流約降至傳統(tǒng)方法的15%。

文獻[26]分析了微網(wǎng)用分布式電源變流器的原理和基于基波電壓的等效模型，提出微網(wǎng)用分布式電源變流器控制策略。其中，基于電壓源輸出特性的內(nèi)環(huán)電壓矢量控制，實現(xiàn)變流器并/離網(wǎng)切換；基于下垂特性的外環(huán)功率控制，保證微網(wǎng)多變流器并聯(lián)使用；基于平移下垂特性曲線的電網(wǎng)二次同步控制，實現(xiàn)變流器離/并網(wǎng)切換。并利用多臺容量為25 kVA變流器組成微網(wǎng)系統(tǒng)實驗電路，驗證了該策略的可行性。

4.4 分布式電源變流器的電能質(zhì)量附加控制策略

電能質(zhì)量是指供電設(shè)備在正常情況下不干擾或中斷用戶使用電力的物理特性[27]，分穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩類。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量包括頻率和電壓偏差、諧波、三相不平衡等；非穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量包括短時電壓中斷、電壓暫升/降、電壓波動與閃變等。諧波和三相不平衡是影響電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，對電力系統(tǒng)安全運行影響很大。

4.4.1 變流器諧波抑制策略

電網(wǎng)諧波的治理可分為主動式和被動式治理。主動式治理是指設(shè)計不產(chǎn)生諧波的變流器，維持負(fù)載自身不產(chǎn)生電壓或電流諧波；被動式治理是各負(fù)載產(chǎn)生的諧波由諧波吸收裝置吸收，保證注入電網(wǎng)的諧波不高于有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[28]。諧波治理分類如圖1所示。目前工業(yè)用電等級較高，常采用被動式治理。按被動式治理采用的電路結(jié)構(gòu)可劃分為無源和有源濾波器(active power filter，APF)2類。無源濾波器設(shè)計成本低且技術(shù)相對成熟，但也有以下4個缺點：

(1) 電網(wǎng)參數(shù)影響濾波特性。

(2) 元件參數(shù)影響諧振頻率。

(3) 電網(wǎng)阻抗易與LC諧振。

(4) 諧波注入遵循臨近原則，導(dǎo)致本地濾波器過載。

而APF按拓?fù)浞绞娇煞譃?類：并聯(lián)型APF、串聯(lián)型APF和混合型APF。并聯(lián)型和串聯(lián)型APF對裝置容量要求高；而混合型APF可實現(xiàn)電流與電壓凈化，但使用成本高。

根據(jù)三相電壓型PWM變流器工作特性，文獻[29]提出含諧波補償?shù)牟⒕W(wǎng)變流器控制策略。補償因非線性負(fù)載導(dǎo)致的畸變網(wǎng)側(cè)電流，保證并網(wǎng)變流器的4象限運行，實現(xiàn)有功與無功電流的分別控制。在自然坐標(biāo)下：指令電流由網(wǎng)側(cè)指令電流與檢測所得非線性負(fù)載電流作差得到，并受所測網(wǎng)側(cè)電壓信號控制。

針對敏感負(fù)載總線(sensitive load bus，SLB)的電壓諧波補償問題，文獻[30]提出分層控制策略，考慮到分布式電源逆變器容量限制，第一層控制提出在SLB上電壓諧波補償和基于非基波視在功率補償方法，第二層控制將參考信號發(fā)送至第一層控制，降低SLB處電壓諧波，并給出了控制系統(tǒng)的參數(shù)，降低了對分布式電源輸出電壓質(zhì)量的影響。

4.4.2 三相不平衡補償

根據(jù)國標(biāo)定義，三相不平衡度是三相負(fù)序電壓有效值與正序電壓的有效值之比，即

(1)

靜止同步補償器(static synchronous compensator，STATCOM)補償無功電流的流程是：參考電流電路從檢測到的負(fù)載側(cè)電流和系統(tǒng)電壓計算出負(fù)載電流中需補償?shù)挠泻﹄娏?，將有害電流取反后得參考電流信號，根?jù)參考電流信號和補償器輸出電流信號產(chǎn)生PWM信號，對驅(qū)動電路放大，實現(xiàn)控制逆變器中功率器件的通斷，使得向電網(wǎng)注入的補償電流符合需求，此時系統(tǒng)電流中只含基波有功電流。從系統(tǒng)側(cè)來看，源只需向負(fù)荷提供三相對稱平衡的基波正序電流，但實際效果與控制策略、裝置容量、信號同步等密切相關(guān)。同時這種方式造價高昂，補償容量不大。

文獻[31]將STATCOM并入電網(wǎng)補償無功和配電網(wǎng)三相不平衡。根據(jù)對稱分量法和疊加原理，分析配電網(wǎng)三相不平衡正負(fù)序電路，正序控制環(huán)采用δ-θ控制，實現(xiàn)配電網(wǎng)無功補償和穩(wěn)定STATCOM直流側(cè)電壓；負(fù)序控制環(huán)采用φ-θ控制，使得三相不平衡產(chǎn)生的負(fù)序電流由STATCOM補償，維持電網(wǎng)側(cè)三相平衡。

文獻[32]針對三相不平衡電網(wǎng)電壓問題，采用雙同步坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)解耦正負(fù)序分量，實現(xiàn)對三相不平衡電壓鎖相目的。準(zhǔn)確提取正負(fù)序電壓幅值和頻率。但低通濾波器截止頻率限制了鎖相精度和速度。隨著二階廣義積分[33](second-order generalized integrator，SOGI)選頻功能的發(fā)現(xiàn)，選頻器也能應(yīng)用于鎖相環(huán)中[34]，通過二階廣義積分器的自適應(yīng)濾波檢測計算電壓的正、負(fù)序分量。具有較好適應(yīng)電網(wǎng)能力。

5 技術(shù)展望

(1) 全球能源危機加劇，降低能耗和提高系統(tǒng)穩(wěn)定成為發(fā)展趨勢，儲能變流器作為儲能系統(tǒng)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在實現(xiàn)能量雙向流動上，為風(fēng)電機組和電網(wǎng)間起到了接口作用[35]。作為微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的儲能變流器控制，將越來越受重視。

(2) 近年來人們節(jié)能減排的理念的增強加速了電車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。多電平電流源變流器能解決低壓大電流問題，而電感儲能效率問題也隨著超導(dǎo)儲能技術(shù)的發(fā)展得以解決，多電平電流源變流器前景廣泛[36]。

(3) 變流器在電能轉(zhuǎn)換的獨特作用，成為了工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一環(huán)。而背靠背變流器根據(jù)PWM可控整流方式能有效解決傳統(tǒng)交-直-交變流器輸出的諧波電流，成為電能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的研究熱點[37]。

6 結(jié)論

(1) PWM控制技術(shù)以簡單易控和響應(yīng)迅速，廣泛應(yīng)用于測量、通信等領(lǐng)域，與現(xiàn)代控制理論結(jié)合或?qū)崿F(xiàn)無諧振開關(guān)技術(shù)成為PWM技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。

(2) 特殊工況下變流器控制將變得復(fù)雜，而提高系統(tǒng)控制精度和動態(tài)響應(yīng)為優(yōu)化指明了方向。

(3) 更具精度和實用的DC/DC變換器模型研究是當(dāng)前亟待研究的課題之一，而現(xiàn)代智能控制如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模糊技術(shù)的應(yīng)用可為解決上述問題提供嶄新思路，另外DC/DC控制器的集成化以及控制方法的數(shù)字化將成為發(fā)展趨勢之一。

(4) 變流器DC/AC策略方面，基于單一模式優(yōu)化系統(tǒng)特定功能的研究仍是主流，但如何兼顧系統(tǒng)特殊工況下的適應(yīng)性、提高波形質(zhì)量、減少系統(tǒng)環(huán)流等多目標(biāo)綜合性問題將會引起更多關(guān)注。

(5) 電能質(zhì)量策略方面，諧波污染和三相不平衡均影響電能質(zhì)量。減少諧波注入量一直是研究熱點，而維持三相平衡，不僅可減輕對電網(wǎng)的危害，也能保證供電的可靠性。