分布式发电中逆变器的并网技术研究*

2016-06-20曾维炎王致杰张向锋

风能 2016年2期

文 | 曾维炎，王致杰，张向锋

分布式发电中逆变器的并网技术研究*

文 | 曾维炎，王致杰，张向锋

随着能源危机与环境保护越来越受到人们的重视，充分开发各种清洁能源、分布式发电技术成为研究热点。而逆变器作为分布式发电中的核心部分，如何实现新能源的安全并网和有功无功的输出是分布式发电亟需解决的问题。

电流控制策略是通过检测逆变器的输出电流，并将其作为电流反馈的控制量，从而实现稳定的输出。该策略有间接电流控制和直接电流控制两种方法，现在市场上的小功率逆变器多数采用直接电流控制，其具有系统反应速度快，对各种短路、故障很快做出保护措施特点，但这种方法在检测逆变输出电流时，需要高精度的互感器，以及相应的高频率采样电路。这大大增加了系统的成本，而且不便于后期的检测与维护。而间接电流控制则避免了上述缺点，以电压矢量为基础，通过建立稳定的数学模型，控制占空比，产生SPWM方波，实现逆变器的安全并网。

本文先建立并网逆变器单位功率因数下的矢量模型，然后提出一种基于固定开关频率的间接电流控制，将该种算法在MATLAB上进行仿真分析，最后做相应的实验验证，证明算法的正确性和实用性。

基于矢量图的间接电流控制

一、并网逆变器的矢量模型

并网逆变器，在理想状态情况下，其输出功率因数λ＝1，即电网侧电流IN无畸变且与电网电压UN相位一致，这样回馈到电网的只有有功功率。图1为等效模型，图2为电压矢量图。

由图2可以得：

式中：P为逆变器输出功率，U0为输出电压，UN为电网电压。

对于SPWM逆变器来说，输出电压基波满足：

式中：m为调制比，Ud为直流侧电压。

其中φ为逆变器输出电压与电网电压的夹角。

在整个控制系统中，功率P由最大功率跟踪模块给定，为参考量；感抗X和电阻R由系统给定；可测量输入为电网电压有效值UN、直流输入电压Ud。

根据功率P和电网电压有效值UN可计算参考电流有效值。由参考电流有效值、感抗X、电阻R和电网电压有效值UN可计算并网逆变器输出基波电压有效值和相对于电网电压的相位，而SPWM调制比可由电网电压UN、直流输入电压Ud和相位角得到。至此，SPWM调制的调制比和相位角均已得到，按此调制波在10kHz或20kHz载波调制下，输出电流基波满足向量图关系，即输出电流与电网电压同相，功率因数为1。

二、基于改进的固定开关频率的间接电流控制

由于电网电压相位和幅值是实时变化的，需要不断采样电网电压信息，通过相应的控制策略，改变占空比，实现逆变器输出电流对电网的相位跟踪。

传统的滞环控制存在开关频率不固定的缺点，有时会出现很窄的脉冲和很大的电流尖峰，本文依据上述矢量图提出了一种固定开关频率控制策略，PWM逆变器的输出侧存在一个矢量三角形关系：

其中u0（t）、uN（t）为逆变器输出电压和电网电压的瞬时值，iN（t）为电网电流的瞬时值。

在一个开关周期内对上式进行平均，得到：

下标AV和上标k表示从tk到tk+1的一个开关周期的平均值，如果开关频率足够高，则可以用uN（t）的瞬时值来代替周期平均值uk，同时假设逆变器为理想状态，实际的周期平均值uk0（AV）与指令信号u*0相一致，于是从上式可以得到：

其中Tc为载波周期，假设输入电流能在一个周期内跟踪电流指令i*N，即在一个控制周期结束时有iN(tk+1)＝i*N(tk+1)，则：

该控制方法能够通过调整电源电压的比列系数来减小直至消除电源电压对电流跟踪偏差的影响，从而显著改善了逆变器跟踪的控制性能。

逆变器的控制框图3，参考电压Vref与逆变器输入电压VDC相比较后，将得到的误差送入PI调节器得到电流指令I*，再与正弦波形相乘得到正弦指令Iref， Iref与实际输出的电流相比较后，误差经P调节后得到的值（物理意义上就相当于逆变器输出侧电感上产生的电压）与网压Vac（t）相加得到的波形与三角波比较，便产生了4路PWM波控制逆变器开关管的通断，这样就实现了逆变器输入电压VDC的稳定，VDC稳定在Vref附近，系统输出正弦电流波形幅值为I*。

传统的固定开关频率是将电流误差P调节后作为调制波与三角载波比较产生PWM波。其缺点是必须与实际电流存在偏差才能产生PWM波。因此本文改进的控制算法，加入了交流侧网压Vac的计算，即电流误差信号Iref经过PI调节后与Vac相加，得到的值再与三角载波进行比较。Δi*P在物理意义上就相当于逆变器输出侧电感上产生的电压。与Vac之和，就相当于逆变器输出脉冲电压，这样构成的矢量图与逆变器输出向量图一致。改进的固定开关频率的控制策略在保持原有优点的同时，电流跟踪误差显著减小，改善了PWM整流器的电流跟踪性能。

仿真分析

为验证上述控制策略，将上述算法在MATLAB进行仿真，仿真波形如图4。

图4是基于向量图的并网逆变器控制算法的Simulink实现，以考察该控制方法的可行性。在仿真框图中，包含一个并网逆变器主回路：直流母线、H桥逆变电路、线路电阻、滤波电感、电网。逆变电路采用单极性调制，载波频率10kHz。调制波由控制电路产生，即由上述算法得到调制比m和初始相角φ，由此得到调制信号：S＝m・sin（2πf・t+φ）。调制波与三角载波比较进行单极性调制得到IGBT开关信号驱动IGBT逆变桥实现逆变。

仿真条件和参数：直流母线为600V，电网电压为220V/50Hz，线路电阻为3Ω，滤波电感为5mH，参考输出电流有效值为20A，载波频率10kHz。输出电流波形和电网电压波形如图5所示。从图5、图6可以看出，电流波形和电网电压波形同相，功率因数为1；从FFT（快速傅氏变换）结果来看，输出电流的THD（谐波失真）为2.51，可以满足并网要求。

实验验证

为了验证上述控制策略在实际工程中的可行性，本文搭建了相应的实验平台，逆变器容量是3kW，主要控制芯片采用TMS2407。

一、基本构成及其功能

逆变器容量是3kW，主要控制芯片采用TMS2407，逆变电源主要由输入断路器、预充电回路、逆变桥、LC滤波器、变压器、EMC滤波器、交流接触器、交流断路器、主控单元、远程通信单元、人机对话单元等几个部分组成，具体如下图7所示。

二、实验分析

根据搭建的实验平台，进行逆变器的并网实验，其实验波形如图8、图9、图10所示。

图8表示的波形分别是电网电压和逆变器输出电压，这是在逆变器空载的情况下，逆变器并网的波形。从两个波形可以看出，逆变器和电网电压的幅值、相位可以很好的锁相，符合并网条件。

图9表示是在负（2kW阻性）载条件下，将逆变器带负载并网运行，黄色代表电网电压，绿色波形代表电网输出电流，蓝色色波形带代表逆变器电流波形，从图中可以看出，这种情况下逆变器输出电流很小，主要来自空载损耗，相当于零电流并网，然后通过调节SPWM的占空比，从图10我们看出逆变器输出电流（蓝色波形）在不断增大，并且没有发生波形畸变。通过以上三种不同工况下的波形，可以证实这种算法的可行性，尤其是对小功率并网逆变器有较好实用性。