基于电流滞环跟踪PWM逆变器双闭环控制研究

赵 越

(国网山西省电力公司 检修分公司，山西 太原 030032)



基于电流滞环跟踪PWM逆变器双闭环控制研究

赵 越

(国网山西省电力公司 检修分公司，山西 太原 030032)

为提高并网逆变器的控制性能，以三相全桥并网逆变器为研究对象，采用LCL滤波器作为输出滤波器，通过Matlab/Simulink建立三相并网系统逆变器模型，采用电流滞环跟踪控制，并将电流单环控制和电压电流双闭环控制进行了比较。仿真结果表明，在电流滞环控制策略下，电压电流双闭环控制不仅跟踪速度快、稳定性高，并具有保持并网电流与电网电压同相位、波形畸变较小、动态响应快的优点。

并网逆变器；LCL滤波器；电流滞环；双闭环

并网逆变器是新能源并网发电系统的重要组成部分，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控制技术[1]，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。早期的PWM非线性控制方法有瞬时比较方式和三角波比较方式，但均存在着一些缺陷与不足，比如误差大、电路复杂、响应慢。随着数字控制技术的发展，电流双闭环控制，电流滞环跟踪控制，电流偏差预测控制，有无差拍PWM控制等多种控制策略[2-5]。

并网需要控制输出电流与电网电压同相位，采用以直接电流控制为目的的滞环技术能较好地解决这一问题[6]。传统的变频式滞环控制，环宽固定，控制简单，但有高开关损耗、谐波污染严重等弊端。

本文以三相全桥并网逆变器为研究对象，采用LCL的滤波器，通过Matlab/Simulink建立相光伏并网系统逆变器模型，确定合适的参数，采用电流滞环跟踪控制，并将电流单环控制和电压电流双闭环控制进行比较。仿真结果表明，在电流滞环控制策略下，电压电流双闭环控制不仅跟踪速度快、稳定性高，并具有保持并网电流与电网电压同相位、波形畸变较小、动态响应快的优点。由此，验证设计方法的可行性与有效性，为新能源并网逆变器的实际设计提供依据。

1 并网逆变器电流滞环控制原理

并网逆变器电流滞环控制原理，如图1所示，直流源 可为太阳能、风能等可再生能源发电设备，逆变器负载为公共交流电网(220 V/50 Hz)。在并网系统中，因电网电压是固定的，所以可控制量只有并网电流。滞环控制应用于控制逆变器并网电流，易于实现对电网电压频率和相位的实时跟踪，响应迅速且稳定性好[7]。

图1 并网逆变器电流滞环控制原理

HB(Hysteresis Band)是滞环宽度，由图1可知，当电流误差信号低于1/2 HB的滞环宽度时，产生的脉冲信号触发S1和S4导通，S2和S3截止，电感电流开始增加；当电流误差信号超过1/2 HB的滞环宽度时，产生的脉冲信号触发S2和S3导通，S1和S4截止，电感电流开始减小，这样逆变电流始终在滞环宽度的范围内变化，从而同步跟踪正弦参考电流。设新能源输出电压为VPV；电网电压Vgrid；滤波电感Lf；逆变器输出电流为iinv；参考电流为ir；则当S1和S4导通时，有

(1)

iinv=iL=ir+Δi

(2)

(3)

(4)

(5)

同理，当S2和S3导通，有

(6)

(7)

(8)

令Vgrid=Vm·sin(ωst)

(9)

最大频率为

(10)

平均开关频率

(11)

可见，在输出稳定直流电压的条件下，滞环宽度决定平均开关频率fs·av的高低，滞环宽度越窄，fs·av越高，负载电流的脉动程度也越低并接近正弦波，电流的总谐波畸变越小，但fs·av越高则电路开关损耗越高，导致电路效率越低。

2 LCL型电流滞环跟踪双闭环控制策略

LCL滤波器对高频分量呈高阻抗，对高频谐波电流可起到较大的衰减作用，即使在低开关频率和较小的电感情况下也能满足电流谐波衰减要求，所以LCL 滤波器通常用于较低开关频率的中大功率场合[8]。本文针对较大功率的并网逆变器进行电流控制技术研究。因此，采用LCL 滤波器作为输出滤波器。LCL型电流滞环跟踪并网逆变器原理如图2所示。

图2 LCL型电流滞环跟踪并网逆变器原理图

并网系统采用双闭环控制策略进行并网控制。其外环为电压环，目的是为了控制并网逆变器直流输入端电压即电容电压稳定[9]；内环为电流环，目的是为了控制并网逆变器的输出电流与电网电压同频同相[10-11]，输送到电网的功率因数近似为1。

将实际检测到的电容电压与给定的电容电压相比较，差值经过调节器，得到并网电流的给定信号，此给定电流再与实际检测到的并网电流相比较，差值经过滞环比较环节，得到全桥逆变器的功率器件的开关信号，控制功率器件开通和关断，使并网电流在指定的环宽以内变化。

3 仿真分析

3.1 仿真中参数的设定

为了对并网逆变系统理论分析进行验证，本文采用Matlab/Simulink中的SimPowerSystems 功能模块进行仿真分析滤波参数参见文献[12～13]，取滤波电感L1=5.5 mH，L2=0.1 mH，滤波电容C=20 μF，输入直流电压为VPV=600 V，输出功率Prated=5 kW，单环控制策略中电容所串电阻Rd=3Ω，滞环控制器的宽度为1，-1，负载后面接整流型负载，参数L=10 mH，C=10 μF。

3.2 两种电流滞环单环比较

3.2.1 电流滞环单环控制并网仿真

基于电流滞环单环跟踪控制的并网逆变器控制策略是直接采用给定电流信号与逆变器侧反馈的电流进行对比[14-16]，幅值经过滞环比较器后产生PWM信号对逆变器进行开关控制。仿真的逆变电压与电网电压的比较和输出三相电流波形分别如图3和图4所示。

图3 逆变电压与电网电压的比较

图4 输出三相电流波形

由图3可知，逆变得到的电压、频率与三相电网电压、频率几乎相同，电压有效值为220 V，频率为50 Hz，但逆变电压没有完全跟踪电网电压，由图4可知，并网电流和电网电压能基本上保持同频同相，仿真中设置A相初相位为0°，B、C两相一次相差120°，从左到右依次为A相，B相，C相，各相相位分别相差 ，峰值为10 A，频率为50 Hz。电压谐波分析中THD=2.13%<5%，电流谐波分析中THD=1.73%<5%，满足光伏系统并网技术的要求。

3.2.2 电流滞环双闭环控制并网仿真

电压电流双环的并网逆变器控制策略是采取给定电压与电容电压构成外环进行对比，其幅值产生电流给定信号再与逆变器侧电流进行对比，经过滞环比较器后产生PWM信号控制逆变器。仿真的逆变电压与电网电压的比较和输出三相电流波形分别如图5和图6所示。

图5 输出电压和电网电压重合波形图

图6 输出三相电流波形

由图5可知，逆变电压能完全跟踪电网电压，相比图3具有更优越的同步性，对并入电网造成的冲击更小。由图6也可看出并网电流和电网电压能较好地保持同频同相，且图5电压谐波分析中THD=0.17%<5%，电流谐波分析中THD=0.17%<5%，其比图3和图4的THD值均小，故采用电压电流双环控制策略性能更佳。

3.3 加入突发性负载情况分析

为了验证系统的稳定性，电压电流双环控制策略的仿真中加入突发性负载，通过加入负载查看电压电流的波形及THD分析，判断系统的稳定性。本次突发性负载通过在原有的系统中加入断路器，为了方便在同一条件下观察加入突发性负载前后的波形比较，在系统中加入两个断路器，该断路器由阶跃信号控制，控制时间设为0.04 s，在0.04 s之前，系统保持在原来的系统基础上接入一个R=5 000 Ω的电阻模拟开路状态，0.04 s之后加入突发性负载，在同一坐标下观察波形。加入突发性负载前后电压和电流波形对比分别如图7和图8所示。

图7 加入突发性负载前后电压波形对比

由图7可知，在0.04 s前系统模拟处于开路状态，途中各相电压为相电压，从左到右依次为A，B，C三相，电压峰值为311 V，0.04 s之后加入突发性负载，开始会出现一小段的系统震荡，之后很快便进入稳定状态，电压峰值为311 V，有效值为220 V，频率为50 Hz，加入突发性负载前后电压幅值不变，并与电网电压同频同相。

图8 加入突发性负载前后电流波形对比

由图8可知，在0.04 s前系统模拟处于开路状态，途中各相电流为相电流，从左到右依次为A，B，C三相，由于处于模拟开路状态，电流幅值接近于0，0.04 s之后加入突发性负载，开始会出现一小段的系统震荡，之后便迅速进入稳定状态，频率为50 Hz，与电网电压同频。

4 结束语

本文通过Matlab/Simulink建立三相并网系统逆变器模型，采用了LCL滤波器作为输出滤波器和电流滞环跟踪控制，并将电流单环控制和电压电流双闭环控制进行了比较。仿真结果表明，在电流滞环控制策略下，电压电流双闭环控制不仅跟踪速度快、稳定性高，并具有保持并网电流与电网电压同相位、波形畸变较小的优点。为进一步验证系统的稳定性，电压电流双环控制策略的仿真中加入突发性负载，通过加入负载观察电压电流的波形及THD分析，仿真表明在电流滞环控制策略下，电压电流双闭环控制系统具有较高的稳定性。

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Research on Double Closed Loop Control of PWM Inverter Based on Current Hysteresis Loop Tracking

ZHAO Yue

(Maintenance Branch,State Grid Maintenance Corporate of Shanxi Electric Power Company, Taiyuan 030032, China)

In order to improve the control performance of the grid connected inverter, taking the three-phase full bridge inverter as the research object, the LCL filter is used as the output of the filter, the three-phase grid connected inverter system model has been established through Matlab/Simulink, based on current hysteresis loop tracking control, and compared the current single loop control with voltage and current double closed-loop control . Simulation results show that with the hysteresis current control strategy, voltage and current double closed-loop control not only has a high tracking speed and stability, but the grid connected current and grid voltage also maintain in the same phase and has the following advantages : waveform distortion is small, fast transient response.

grid-connected inverter; LCL filter; current hysteresis; double closed loop

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.015

2016- 01- 27

赵越(1980-)，男，工程师。研究方向：高压电网并网控制。

TM464

A

1007-7820(2016)12-051-04