基于PMW三相并网逆变器矢量解耦控制系统的设计

代佳华 张矿伟 程刚 林楠 陈焰

摘 要：三相PWM逆变器是风力发电并网系统的主要部分，开发高性能的逆变器控制策略已成为研究的重点。对于相位幅值逆变控制电路，为电压单环结构，响应速度慢，且网侧存在直流电流偏移量，瞬态时，输入电压滤波器会出现振荡且负载电流会发生畸变。提出一种矢量解耦控制策略，对直流侧电容电压的平衡进行分析与补偿设计，给出矢量解耦控制算法的软件流程。实验结果表明，该控制策略能获得较好的控制性能，并能实现单位功率因数校正。该逆变器运行效率高，可靠性好，完全满足并网要求。

关键词：新能源；三相并网；模型建立；PWM变换器；解耦控制

中图分类号：TP464 文献标识码：A

1 引 言

随着现代社会对能源需求的不断增加而传统能源的供应不断枯竭，以风力发电为代表的可再生能源发电收到了广泛重视。作为一种新的发电方式，风力发电赢得了非常重要的发展机遇[1]。风力并网型发电系统凭借成本低、应用广泛、输出波形稳定等特点，其应用比例快速增长，已成为新能源技术的主流应用。由于要求风力并网型发电系统输出的交流电与电网电压严格同步，因此，如何综合考虑功率变换器的动态性能、系统干扰、输出波形失真、并网电流和电网电压同步等问题成为了风力并网发电系统控制的关键和难点[2]。基于此，本文采用电压、电流双闭环矢量控制策略，设计出矢量解耦的逆变器控制电路，在两相同步旋转坐标系下对三相逆变器的电流实现静态解耦，改善有源逆变的动态响应及抗干扰能力，实现稳定可靠的控制。

2 控制原理及数学模型

2.1 原理

矢量控制策略：给定信号分解成两个互相垂直而且独立的直流信号iM、iT，然后通过“直-交变换”将iM、iT交换成两相交流信号iα、iβ，又经“2/3变换”，得到三相交流的控制信号iA、iB、iC去控制变流电路[4-6]。对PWM逆变器控制也可以采用矢量控制策略，如图1。

图1 矢量控制框图

三相交流电流iA、iB、iC 经过“3/2变换”、“交-直变换”成为互相垂直且独立的直流量id、iq，再经过“直-交变换”、“2/3变换”，得到三相交流的控制信号iA、iB、iC，控制PWM逆变器[7]。该控制策略有动态响应快、稳态性能好、限流保护等优点。

2.2 三相PWM逆变器dq数学模型

对电压型逆变器，在三相静止坐标系ABC中假设：

1.电网电动势为三相平衡的纯正弦波电动势（Ea、Eb、Ec）；

2.网侧滤波电感L（a，b，c）是线性的；

3.主电路的开关视为理想元件，通断可以用开关函数描述。

在静止的三相ABC参考坐标系中，经滤波电感L并网的风力并网逆变器的状态方程如式（1）。

分别是并网电流、逆变器输出电压与电网电压的dq分量；ω为电网电压基波角频率。理想状态下，电网电压是无任何谐波的纯正弦波，在同步旋转的dq坐标系下，电网电压矢量可以表示为式（3）。

vgd=0vgq=v（3）

其中，v是电网相电压的峰值。

实际上，电网电压总是有谐波污染，不可能是纯正弦波，故电网电压vgd和vgq总有一定的脉动，其幅值和频率与电网电压的谐波量有关。但在稳态下，νgd的平均值仍为0。因此在稳态下，逆变器输出的有功、无功功率如式（4）。

P=vdid+vqiqQ=vqid-udiq（4）

在三相电网电压平衡的条件下，使并网电流d轴分量与电网电压交流矢量同步旋转，则Vq=0。那么逆变器输出的有功与无功功率分别与dq轴电流成比例，可以实现逆变器输出有功与无功功率的解耦控制[8]。

3 电路设计

3.1 逆变主电路

三相PWM逆变器的电路结构如图2示。

电路由三个桥式电路组成，开关管VT1～VT6采用全控型电力电子器件，二极管VD1-VD6为续流二极管，两者组成IGBT关断电路。在输入三相交流电下，当IGBT承受最大正向阳极电压，而控制极又获得触发脉冲时转入导通状态[9]。

3.2 三相并网控制结构

三相风力并网逆变系统采用双环控制。外环由锁相环和最大功率跟踪环组成，为内环提供参考线电流；内环由定频算法、滞环电流控制和三相解耦等模块组成，用于电流的实际跟踪，实现并网[10]，三相并网控制结构框图如图3示。

检测三相逆变器交流逆变电压与电流，经3/2变换，交-直变换，转换成相互独立的直流分量，与给定值比较，经PI调节，调节输出再经过2/3变换成三相交流，控制PWM逆变器产生脉冲。

4 仿真测试及分析

4.1 仿真电路搭建

用MATLAB搭建的三相并网逆变系统的仿真模型，主要由风力电源模块、逆变主电路模块、电网模块和PWM生成模块组成，如图4所示。

仿真输出三相并网电压波形如图5示[11-12]。三相并网电压的周期0.01s，频率50Hz。与电网的频率一致，不会对电网造成干扰，完全满足并网要求。

图5 三相并网电压输出波形

仿真输出A相的电压与电流波形如图6示。

A相电压与电流周期，频率相同，相位差90°；电流瞬态响应时间0.005s左右，响应的时间短，逆变器输出电流完全能够跟随给定电流变化。

图6 A相电压和电流波形

5 结 论

本文提出了一种采用电压、电流双闭环矢量控制策略，设计出三相四桥臂逆变器的矢量解耦控制方案，实现了对三相四桥臂逆变器的矢量解耦控制。建立了三相四桥臂逆变器的空间电路模型，分析了其空间电压矢量的分布；同时，改善了有源逆变器的动态响应及抗干扰能力，实现稳定可靠的控制。设计电路经仿真测试，系统稳定性可靠、瞬态响应时间短、抗干扰能力强，电压、电流波形完全满足并网要求。

参考文献

[1] 周锥维，罗全明.基于DQ 变换三相三开关Boost型开关整流器的DC和AC分析[J].中国电机工程学报，2002，22（7）：71-75.

[2] 陈潼，赵荣祥.并网逆变器间接电流解耦控制策略的研究[J].电力电子技术，2006，40（3）：8-11.

[3] Song SeungHo，Kang Shinil，H ahm NyeonKun. Implementation and Control of Grid Connected AC—DC—AC Power Converter for Variable Speed Wind Energy Conversion System[C]// Applied Power Electronics Conference and Eaposilion，2003（1）：154-158.

[4] 徐爱国，谢少军.电容电流瞬时值反馈控制逆变器的数字控制技术研究[J].中国电机工程学报，2005，25（1）：49-53.

[5] 王新勇，许炜，汪显博.光伏并网逆变器空间电压矢量双滞环电流控制新策略[J].电力系统保护与控制，2011，39（10）：110-115.

[6] 徐凯，梁晖，朱宁.分裂电容式PWM 整流器的矢量控制策略研究[J].电力电子技术，2008，42（2）：71-73.

[7] 康怡，杨鲁发.IPM在光伏并网逆变器中的应用[J].现代电子技术，2009，20：209-211.

[8] 郑建勇，刘孝辉. Z源光伏并网逆变器无差拍解耦控制[J].电网技术，2012，36（3）：252-256.

[9] 杨勇，阮毅，吴国祥，等.基于DPWM1的无差拍解耦控制的三相并网逆变器[J].电工技术学报，2012，25（10）：101-107.

[10]刘金琨.滑模变结构控制Matlab仿真[ M] .北京：清华大学出版社， 2005.

[11]周雒维，罗全明.基于DQ变换三相三开关Boost型开关整流器的DC和AC分析[J].中国电机工程学报，2002，22（7）：71-75.

[12]浣喜明，姚为正.电力电子技术[M].北京：高等教育出版社，2004：116-121.

[13]孙驰，毕增军，魏光辉.基于空间矢量电流调节器的三相四桥臂逆变器的解耦控制研究[J].电工电能新技术，2003，22（3）：38-40.