单相并网逆变器矢量控制

房公柱，谢 歆2

（1.吉林电力股份有限公司，吉林 长春130022；2.常州易驱动电气科技有限公司，江苏 常州213022）

0 引 言

单相并网逆变器作为新能源并网发电系统和电网的接口设备，其控制目标是实现正弦电流输出，使其工作在单位功率因数并网模式。并网逆变器输出电流波形直接影响到光伏发电系统的供电质量，因此，并网逆变器输出电流控制策略成为新能源并网发电系统研究热点之一。

PI控制具有算法简单、可靠性高、开关频率固定、易于设计等特点，是目前最常用的控制方法之一［1-2］。一般的并网发电系统采用电压外环电流内环的双闭环PI控制来实现直流电压的稳定及调节并网电流的幅值。空间矢量控制方法通过坐标变换，将三相电流变换到与基波频率同步旋转的两相坐标系，稳态时三相正弦电流变成了直流量，而PI调节器对直流信号的放大倍数为无穷大，电流稳态跟踪误差接近于零，可以实现电流的无差跟踪控制。因此，空间矢量控制方案可以获得高功率因数低谐波的三相并网电流，已广泛应用于三相并网系统［3-4］。

并网逆变器功率解耦控制和电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术在三相光伏并网发电系统中能够很好地控制输入电网功率的有功和无功分量，调节并网功率因数，提高并网质量，提高直流母线电压的利用率，且其技术已经足够成熟，因此论文借鉴三相光伏并网控制原理，设计了按电网电压定向的电压闭环及有功电流、无功电流闭环的单相功率解耦矢量控制方案。

1 单相并网逆变器直接功率控制设计

1.1 构建静止两相坐标系

单相并网系统同三相并网系统有着本质的不同，不能简单的同三相一样进行功率解耦控制，单相并网系统只能检测到一个并网电流和电网电压。如果单相并网系统要采用三相并网系统的控制方法，则需要虚拟出与并网电压、并网电流同频率并滞后其π／2的正交电压和电流量，虚拟电压和真实并网电压通过旋转变换及锁相环实现对电网电压的定位，即电网电压的相位检测；虚拟电流和并网真实电流通过旋转变换实现逆变器输出电流有功、无功分量的解耦和电流的有效闭环控制。设电网电压为：

逆变器输出电流设为：

式中，ω为电网电压角频率；U为线电压有效值；Is是逆变器输出电流的幅值。

在实际单相系统中只有一个输出电流变量is和电压变量uα，为了能够以三相的控制模型来控制单相系统，需要引入虚拟的电流变量iβ和虚拟的电压变量uβ，且iβ与is、uβ与uα同频率，并且iβ滞后isπ／2，Uβ滞后Uαπ／2，可得：

虚拟电流电压效果如图1所示。

图1 虚拟电流电压效果图

1.2 单相SVPWM技术原理及实现

与其他传统PWM技术相比，SVPWM技术具有母线电压利用率高、易于数字化实现、算法灵活便于实现等优点［5］。由于单相并网发电系统的特点，SVPWM控制技术在单相并网中应用较少，如果能够将SVPWM控制技术成功应用于单相光伏并网发电系统中，那么单相光伏并网发电系统就可以获得许多在三相SVPWM技术控制下才能取得的控制效果，而且还可以将当前三相SVPWM技术研究所得的各种成果，应用于单相并网发电系统。

但是单相系统与三相系统有着本质的区别，所以单相系统不能简单的同三相系统一样进行空间电压矢量分析。以三相定义基本电压矢量为原理，按照逆变桥开关管的开关通断产生四种离散的输出线电压基本矢量。形成四个电压空间矢量，其中有两个电压零矢量（v0、v3），两个零矢量幅值相同，无相位；两个非零矢量（v1、v2），两个非零矢量幅值相等，但是相位不同。它们在坐标平面上的分布如图2所示。

图2 矢量空间分布图

按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量，这就是电压空间矢量PWM的基本思想。

设Ts为系统PWM载波周期，T1为当前有效电压矢量作用时间，T0为零矢量作用时间，根据伏秒平衡原理可得

式中，vx为逆变输出两个非零矢量vx或vy之一。

当0≤ω1t≤π时，vx=v2，则由上式得

当π≤ω1t≤2π时，vx=v1，则

由式（7）、（8）可确定单相SVPWM技术的实现方法如图3所示。

图3 单相SVPWM的实现

1.3 单相并网逆变器控制系统仿真建模

为验证电网电压定向矢量控制方案，在Matlab／Simulink软件下搭建矢量控制系统仿真模型进行仿真分析（如图4）。

图4 并网变换器仿真模型

图5 并网电压电流波形

图6 无功给定i q=-4时,并网电流滞后电压

图7 无功给定i q=4时,并网电流超前电压

图5是无功电流给定为零时的并网电压电流仿真波形，可以看出电网电压和逆变器输出电流同频反向，证明逆变器向电网输送电能，且功率因数为1；图6为无功电流iq=-4时的电网电压和逆变器输出电流波形，此时电流超前电压；图7为无功电流iq=4时的电网电压和逆变器输出电流波形，此时电流滞后于电压。仿真验证了所设计控制方案的可行性。

2 结 论

本文借鉴三相光伏并网功率解耦控制原理，在单相光伏并网系统中，通过虚拟一相构造空间电压矢量，实现了按电网电压定向的电压闭环及有功电流、无功电流闭环的单相功率解耦控制策略。详述了单相SVPWM调制技术原理，并建立仿真模型验证了所设计控制方案的可行性。

［1］张承慧，叶 颖，陈阿莲，等.基于输出电流控制的光伏并网逆变电源［J］.电工技术学报，2007，22（8）：41-45.

［2］王 飞，余世杰，苏建徽，等.太阳能光伏并网发电系统的研究［J］.电工技术学报，2005，20（5）：72-74.

［3］Lindgren M B.Analysisand simulation of digitally-controlled grid-connected PWM-converters using the spacevector average approximation［J］.IEEE workshop on computers in power electronics，1996，11（8）：85-89.

［4］刘 树，刘建政，赵争鸣，等.基于改进MPPT算法的单级式光伏并网系统［J］.清华大学学报（自然科学版），2005，45（7）：873-876.

［5］Zhenyu Yu，Figoli，David.AC Induction Motor Control Using Constant V／Hz Principle and Space-Vector PWM Technique with TMS320C240［R］.Texas Instruments Literature Number SPRA284.