分布式发电系统中四桥臂逆变器控制策略

陈红兵，张 兴，杨淑英

(1.合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009;2.湖北文理学院物理与电子工程学院，湖北 襄阳 441053）

分布式发电系统中四桥臂逆变器控制策略

陈红兵1，2，张 兴1，杨淑英1

(1.合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009;2.湖北文理学院物理与电子工程学院，湖北 襄阳 441053）

由分布式电源构成的电网是弱电网，并且给各类负载供电，针对这类电网的特点和电网中负载的状况，本文提出采用四桥臂逆变器作为分布式发电系统的并网接口，提出基于带通滤波器的分序方法和分序控制策略，解决了四桥臂逆变器基于单同步旋转坐标的双环控制系统稳态性能差的问题，在此基础上搭建了实验平台，实验结果表明，本文提出的方案彻底改善了逆变器控制系统的稳态特性，极大地提高了分布式发电系统在不对称负载下的运行能力。

四桥臂逆变器;分布式发电系统;带通滤波器

1 引言

基于风能、太阳能、燃料电池等新能源的分布式发电系统以其绿色环保、灵活可靠、运行稳定等优点受到了广泛的关注。分布式发电系统一般运行于并网模式，但是当电网故障或者在电网没有覆盖的偏远地区，分布式发电系统应有离网运行能力。离网运行时电能质量易受负载特性的影响，特别是在非线性负载和不对称负载下，分布式发电系统的输出电压可能具有谐波分量、负序分量和零序分量，无法满足负载的要求。分布式发电系统一般采用逆变器将电能接入电网，在离网运行时逆变器为负载提供所需的电能，由各种分布式电源组成的分布式电网是一种弱电网，并且电网中接有各类负载，针对这类电网和电网中负载的情况，四桥臂逆变器作为并网接口是最佳方案。

分布式发电系统中四桥臂逆变器带不对称负载能力的强弱很大程度上取决于它的控制策略。四桥臂逆变器常用的控制策略有:单同步旋转坐标系下的双环控制策略［1-3］，该控制策略不能对负载电压的负序分量和零序分量进行有效控制，负载电压的对称度不高;基于 PID算法的电压单环控制策略［4-5］比较简单，容易实现，但是不能有效地限制电感电流;文献［6-7］提出了基于对称分量法的双环控制策略，但文献［6］阐述了采用全通滤波器来延时1/4周期的分序算法，该分序算法对电网频率变化非常敏感。

为了提高分布式发电系统中四桥臂逆变器带不对称负载的能力，本文采用了一种基于带通滤波器的分序算法，在分序的基础上构建了分序控制策略，实验表明采用分序控制策略控制的四桥臂逆变器输出的稳态电压对称度高。

2 四桥臂逆变器的数学模型

分布式发电系统中四桥臂逆变器如图1所示，第1桥臂通过电感Lf与负载中性点相连。根据电路定律建立逆变器在abc坐标系中的数学模型，然后将abc坐标系中的数学模型变换到同步旋转坐标中的数学模型如下［8-9］:

图1 四桥臂逆变器Fig.1 Four-leg inverter

式中，Udc、ud、uq和 u0分别为直流侧电压、负载电压的 d轴、q轴和0轴分量;id、iq、i0分别为电感电流的d轴、q轴和0轴分量;iLd、iLq、iL0分别为负载电流的d轴、q轴和0轴分量;dd、dq、d0分别为占空比的d轴、q轴和0轴分量。

3 基于带通滤波器的分序方法

为了确保分布式供电系统中逆变器输出电压的质量，不仅需要控制输出电压的正序分量，还必须有效地控制输出电压的负序和零序分量。所以在设计逆变器控制系统之前，需要对四桥臂逆变器的输出电流和负载电压进行相序分解。下面以分解三相不对称负载电压为例阐述本文采用的分序方法，假设不对称负载电压为

运用对称分量法(如式(5）～式(7））把电压分解成正序、负序和零序等三组对称的电压分量，这三组对称分量分别用up(t）、un(t）和uz(t）表示。

首先采用变换阵 Tαβ把u(t）的正序分量和负序分量变换到αβ坐标中，变换过程是

把式(5）、式(6）分别代入式(9），不对称电压可以分解成αβ坐标系中的正序电压和负序电压，变换过程为

4 逆变器控制系统设计

图2 带通滤波器Fig.2 Self-adaptive band pass filter

四桥臂逆变器在旋转坐标系中的数学模型如式(1）～式(3）所示(建模型时仅考虑电压和电流对称的情况），可见d轴和q轴之间存在耦合项，不便于设计控制器，采用控制算法式(12）控制逆变器的电感电流，控制算法式(13）控制负载电压［7，10］，负序和零序的控制算法与此算法相同。

4.1 电流环的设计

电流环采用控制算法式(13）后，逆变器的各序电流分量控制环都是SISO系统，本文以正序电流d轴分量的控制为例阐述电流环的设计，正序d轴电流环简化框图如3图所示。

图3中，1/(Tis+1）为电流采样延迟等效传递函数;Kpwm/(0.5Tss+1）为功率主电路等效传递函数，Kpwm为功率主电路增益，Ts为功率器件开通平均延迟时间。

为了保证电流环的快速跟踪性，可将电流环设计为典型的I型系统。只需以PI调节器的零点抵消控制对象的极点即可，所以电流调节器参数的试探初值按式(14）设定，然后根据电流环特性调整初探值，使校正后电流环的截止频率在1000～2000Hz范围内，调整时间ts＜2ms，最大超调量σ＜10%，上升时间 tr＜ 0.3ms。

4.2 电压环的设计

电压环的控制框图如图4所示，图中1/(Tus+1）和1/(3Tss+1）分别是采样延迟传递函数和电流闭环等效传递函数。

图4 电流环控制框图Fig.4 Block diagram of voltage control loop

电压开环传递函数为

电压开环传递函数中有两个小惯性环节，可以合并为一个惯性环节［6］，合并后电压环仍然是Ⅱ型系统。整定外环时，不仅要考虑电压环的跟随性能，还应考虑电压环的抗扰性能。为此，对电压环按典型的Ⅱ型系统设计。采用工程设计方法，电压调节器的参数设定如下:

5 实验结果分析

实验的参数都为:额定功率为20kW，输出额定电压的有效值为220V，直流侧电压 Udc=680V，滤波电感 L=5mH，Lf=2.5mH，r=0.2Ω，滤波电容 C=6μF，开关频率为 10kHz。

下文给出了单同步旋转坐标控制策略的实验结果及本文所提控制策略的实验结果，并对比分析了逆变器在两种控制策略下的特性。

图5(a）是单同步旋转坐标系下电压d轴分量的给定值和反馈值的波形(q轴上的波形类似），电压d轴含有2次谐波分量，表明单同步旋转坐标系下的比例积分双环控制系统是有静态误差的。图5(b）是本文提出控制策略的给定电压波形和反馈电压波形，稳态后反馈电压可以很好地跟踪给定电压，并且反馈电压也不含有二次谐波，系统的稳态特性表明了本文提出的控制策略要明显优于单同步旋转坐标系下的双环控制策略。

图5 负载电压d轴给定电压与反馈电压Fig.5 Command load’s voltage and load’s feedback voltage

带不对称负载时逆变器的输出电压波形如图6所示，图中的电压波形是对称的。实验研究再次表明本文提出的分序方法和控制策略比单同步旋转坐标系下的双环控制策略优越得多。

图6 三相负载电压Fig.6 Three-phase load’s voltage

6 结论

为提高分布式发电系统的电能质量，本文采用带通滤波器对四桥臂逆变器的电感电流和负载电压进行分序，采用分序控制思想控制四桥臂逆变器，实现了无静差控制，克服了单同步旋转坐标系下双闭环控制系统中反馈电流和反馈电压含有二次谐波的缺点，改善了分布式发电系统的供电质量。实验证明，本文提出的分序方法和控制思想正确可行。

References）:

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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

湖北省教育厅科学技术研究项目(B20122506）;安徽省自然科学基金资助项目(090412049）

陈红兵 (1975-），男，湖北籍，博士研究生，主要研究方向:电力电子与电力传动;

张 兴 (1963-），男，安徽籍，教授，博士，主要研究方向:新能源发电技术。