单相并网逆变器的三态滞环控制策略

黄怡飞

（南方电网超高压输电公司贵阳局，贵阳 550009）

随着现代社会对于能源需求的不断增加，全球范围内的能源危机日益突出，研究基于可再生能源的分布式发电系统具有重要意义[1-4]。利用可再生能源发电要解决的关键问题是如何可靠地高质量地向电网输送功率[5]。因此在可再生能源发电并网系统中起电能变换作用的逆变器及其控制策略成为研究的一个热点。逆变器并网发电运行的主要控制问题是逆变器输出正弦波电流(即并网电流)控制技术，要求并网电流能实时跟踪电网电压频率、相位和并网容量给定的变化，且电流的总畸变失真要低，以减小对电网的谐波影响[6]。

滞环控制[7-9]是目前较为常见的控制方式之一，其基本原理是根据并网容量设定的电流参考值为基准，按照一定的控制精度以及开关频率要求，设计一个滞环环宽，当实际的并网电流超出这一环宽时，逆变器开关动作，使实际并网电流保持在设定的环宽内，围绕其参考值波动。滞环控制方式硬件实现容易，动态响应好，电流跟踪误差小且具有强鲁棒性，但传统的两态滞环控制只有输入能量和回馈能量两个状态，故逆变器桥臂中点电压uAB是双极性变化的，因此其开关频率波动性大、网侧滤波电感设计困难、电流的波动也较大。

针对两态滞环控制的不足，本文提出一种新型的三态滞环控制新方法。该控制方案只需在原控制电路中增加过零比较器，通过设置合理的开关逻辑，从而实现滞环控制下并网逆变器的三态输出。该控制方案结构简单，易于实现，输出电能质量良好，且全桥电路中只有两个开关工作于高频状态，有利于降低功率管开关损耗，提高并网系统运行效率。本文通过理论分析和仿真研究，验证了该方法的正确性和有效性。

1 单相并网逆变器的滞环控制原理

单相并网逆变器的主电路结构如图1所示，其中Ud为可再生能源发出的电能经过前级电路变换后得到的较为稳定的直流电压，L为滤波器，us为电网电压。在并网系统中，电网电压us是固定的，因此可控制量只有并网电流。

图1 单相并网逆变器拓扑图

1.1 传统的两态滞环控制的基本原理

传统的两态滞环控制原理图如图2所示，以与电网电压同频同相的参考电流信号iref为基准，该参考信号是由相位检测环节得到的同步信号与并网电流幅值给定一起送正弦波发生器得到的，再按照一定的控制精度以及开关频率要求，设计一个滞环环宽H，当参考电流iref与实际的并网电流iL之差 Δi超出这一环宽时，逆变器开关动作，使实际并网电流保持在设定的环宽内，围绕其参考值波动。

图2 两态滞环控制原理图

以图1中的单相并网逆变器在电网电压的正半周为例，当电流误差 Δi大于环宽H时，说明实际并网电流小于参考电流，此时 S1和 S4导通，S2和S3关断，A、B两点输出电压为Ud，滤波电感承受正电压，并网电流iL上升；当iL上升到使Δi小于-H时，此时S2和S3导通，S1和S4关断，A、B两点输出电压为-Ud，滤波电感承受负电压，并网电流iL下降。因此并网电流被限制在环宽±H内变化。

1.2 三态滞环控制的基本原理

本文提出的三态滞环控制的原理图如图3所示，同样是通过参考电流iref与实际的并网电流iL之差 Δi与设定的环宽H进行比较，使逆变器开关动作，但有别于传统的滞环控制，本文以电网电压的正本周为例进行说明。

图3 三态滞环控制原理图

在电网电压的正本周，当电流误差Δi大于环宽H时，说明实际并网电流小于参考电流，此时S1和S4导通，S2和S3关断，A、B两点输出电压为Ud，滤波电感承受正电压，并网电流iL上升；当iL上升到使 Δi小于-H时，此时 S1和 S2导通，S3和 S4关断，A、B两点输出电压为0，滤波电感承受负电压，并网电流iL下降。因此并网电流被限制在环宽±H内变化。当处于电网电压负半周时，可作类似分析，在此不再赘述，A、B两点输出电压为-Ud和0。

2 三态滞环控制策略的实现

由 1.2节中分析可知，在电网电压的正半周，开关S1一直导通，S2，S4互补导通；在电网电压的负半周，开关S3一直导通，S2，S4互补导通。因此，在一个工频周期内4个开关管的驱动信号和逆变器输出电压的示意图如图4所示，开关管S1、S3工作在工频状态，S2、S4工作在高频状态。与4个开关管均工作于高频状态的两态滞环控制相比，本控制方式下的开关损耗明显减小。

图4 开关逻辑及uAB输出

由于S1、S3工作于工频互补导通状态，因此可将并网电流的参考信号通过过零比较器产生其驱动脉冲；S2、S4的高频互补驱动信号则由并网电流的参考值与实际值之差通过两态滞环控制器所产生的PWM 脉冲来提供，以此构成本文的新型三态滞环控制系统，如图5所示。

图5 两态滞环控制原理图

3 仿真验证

为了验证所提出的控制方式的可行性及性能，利用Matlab/Sinulink搭建电路进行仿真验证，具体参数设置如下：

1）直流输入电压Ud=400V；

2）电网电压的有效值为 220V，电网电压的频率fs=50Hz，相角θ=0°；

3）滤波电感L=1mH；

4）滞环环宽H=0.1。

仿真结果如图6－图8所示，图6为当并网参考电流iref的幅值设定为 20A时的并网电流与电网电压的波形，由图6可知，并网逆变器输出电流与电网电压同频同相，实现了以单位功率因数并网的要求，且其输出电能质量良好。利用Sinulink中的快速傅里叶分析模块对相同仿真参数的三态滞环控制及传统的两态滞环控制方式下的并网电流iL及输出端电压uAB进行频谱分析，其结果如表1，由此可知，本文所提出的三态滞环控制并网电流的谐波畸变率为 0.95%，输出端电压谐波畸变率为 1.59%，均远低于国家要求的5%的水平，且相对于传统的两态滞环控制，本控制方式向电网中注入的谐波含量大大减少，有利于提高系统的电能质量。

表1 两种控制方式输出性能比较

图6 并网电流和电网电压波形

图7 并网逆变器输出端电压波形

图7为并网逆变器输出端电压uAB的波形，从图中可知，输出端电压uAB在一个工频周期内存在Ud，0，-Ud三种状态，验证了理论分析的正确性。

图8 参考电流突变时并网电流波形

图8为参考电流幅值在0.085s时从20A突变为30A时，并网电流的动态波形，由图8可知，在该控制方式下，并网电流能够迅速地跟踪参考信号的变化，并在一个周期内达到稳态，说明本文所提出的三态滞环控制策略具有良好的动态特性。

4 结论

本文在传统的两态滞环控制的基础上，提出了一种用于并网逆变器的三态电流滞环控制新方法，理论分析与仿真结果均表明，该控制方式的动态、稳态性能均较好，且并网电流及逆变器输出电压的总谐波畸变率小；另外，该控制方式可以明显减小开关损耗，提高了逆变器的效率。这种新型的控制策略实现方法简单，在中、小型功率的可再生能源发电并网中有一定的实用价值。

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