提高并网电能质量的并网逆变器矢量控制策略

李少波， 剧孟瑶

(内蒙古科技大学 信息工程学院， 内蒙古 包头 014010)

提高并网电能质量的并网逆变器矢量控制策略

李少波， 剧孟瑶

(内蒙古科技大学 信息工程学院， 内蒙古 包头 014010)

并网电能质量对逆变器并网的成功与否有很大影响。为了提高并网质量，通过对并网电感值及开关频率的研究来减少谐波、频率波动等因素的影响，采用五段式SVPWM算法，提出一种改进型矢量控制策略。主要对电流内环控制系统进行了设计，完成了前馈解耦控制、PI控制器及其前馈补偿控制。最后基于电网电压定向的矢量控制系统，在理想电压、加入谐波和频率波动的情况下对系统进行仿真验证，证明了此控制策略的可行性。

并网逆变器； 并网质量； 五段式空间矢量脉宽调制； 矢量控制

近年来，随着能源短缺及环境污染情况的加剧，新能源发电系统成为研究热点，其采用的是分布式发电技术和储能技术相结合的方法，一般由发电装置和逆变器组成。新能源要成功并网发电，需要满足并网要求，其最基本的要求就是将电能转化为与电网电压各参数相同的交流电[1]。所以，发电装置需要通过并网逆变器将其所得直流电转化为符合电网要求的交流电才能成功并入电网。并网逆变器在新能源发电系统中扮演着重要的角色，而并网控制是三相并网逆变器控制的基本要求。

并网控制是通过控制并网电流使其成为与电网电压同频同相的正弦波来实现并网的，对于控制对象并网电流，其电能质量问题便成为控制策略的选取标准。能够影响并网电能质量的扰动因素——谐波和频率波动，成为影响控制策略的因素。

基于电网电压定向的矢量控制是在电压定向的基础上，基于电流闭环的矢量控制策略。对于三相并网逆变器而言，就是在直接电流控制的前提下，以电网电压矢量进行定向，通过控制逆变器输出电流矢量的幅值和相位，即可控制逆变器的有功和无功功率，以实现逆变器的并网[2]。

针对上述问题，本文通过在矢量控制的系统下，对并网电感值及开关频率的影响进行研究，并提出在矢量控制的电流内环设计中加入SVPWM算法模块，在PI控制器加入前馈补偿控制并进行数学分析建立系统模型，在实用性方面对锁相方法的不足提出加入单同步旋转坐标系软件锁相环技术并分析建立数学模型。最后分别对无解耦模块和有解耦模块系统在理想电压、加入谐波和存在频率波动的情况下对系统进行仿真验证，证明此理论分析的正确性和控制策略的可行性。

1 三相并网逆变器模型分析

三相并网逆变器一般数学模型的建立可采用以下两种方式：开关描述方式和占空比描述方式。采用开关描述的逆变器数学模型对开关过程描述精准，较适合用于波形仿真；采用占空比描述的逆变器数学模型忽略了高频分量，只考虑了低频分量，适合于控制系统的分析并可直接用于控制器设计[3]。本文主要是通过建模仿真进行比较研究，所以采用开关描述的方法建立三相并网逆变器的数学模型。

在此数学模型中，逆变器的交流侧均为时变交流量，不利于控制系统的设计。所以，通过坐标变换，将三相静止坐标系(a,b,c)转换为两相垂直静止坐标系(α,β)(CLARKE变换)，再将两相垂直静止坐标系(α,β)转换成以电网基波频率同步旋转坐标系(d,q)(PARK变换)。完成坐标转换后，再求出三相并网逆变器在两相垂直静止坐标系(α,β)和同步旋转坐标系(d,q)下数学模型的状态方程[4]。这样可将正弦变化的交流量变为恒定的直流量，使控制系统的设计更为简单方便。图1为三相并网逆变器在dq坐标系下的数学模型结构图。

注：ip为直流电源输出电流；C为直流母线的滤波电容；L为并网滤波器的电感。

2 基于电网电压定向的矢量控制

由三相并网逆变器的dq模型，对三相交流对称系统只考虑交流基波分量，则稳态时dq模型的各个控制量为直流变量，使系统的分析和设计更为方便；另一方面，适当选取dq坐标系的初始参考轴方向，有利于三相并网逆变器网侧有功、无功分量的独立控制。在理想电网电压的情况下，并网逆变器的有功功率p、无功功率w和并网逆变器输出电流的d、q轴分量id、iq成正比关系。所以，当电网电压不变时，通过控制id、iq便可分别对并网逆变器的有功功率p、无功功率w进行控制。基于电网电压定向的三相并网逆变器的控制结构如图2所示。

从图2可知，系统是一个双闭环结构，由直流电压外环和有功、无功电流内环组成。直流电压外环是引入直流电压实测值反馈并通过PI调节器实现直流电压的无静差控制来完成工作的，其作用是为了调节直流电压。由于直流电压的控制可通过id的控制来实现，且仿真模型是针对三相逆变器一般数学模型建立的，直流侧电压为理想直流电压源，不存在消除静差控制，因此对直流电压外环不进行讨论。

2.1 电流内环控制系统设计

2.1.1 解耦控制

由三相并网逆变器在dq坐标系下的数学模型结构图(图3)可得其dq模型描述：

(1)

式中ed、eq为电网电动势矢量的d、q分量；vd、vq为三相并网逆变器交流侧电压矢量的d、q分量；id、iq为三相并网逆变器交流侧电流矢量的d、q分量；P为微分算子；R为交流侧等效电阻；L为输出滤波电感；ω为电网角频率。

图3 电流内环解耦控制结构

从上述模型方程式可看出d、q两轴分量是相互耦合的，d轴电流远大于q轴电流，所以q轴电流对d轴的影响可以忽略不计，但d轴耦合到q轴的分量将会对q轴电压eq产生影响，需要进行解耦控制[6]。

前馈解耦控制算法[7]使d、q两轴的电流已实现独立控制，同时引入电网电压作为前馈补偿，使系统的动态性能得到进一步提高。解耦的过程实际上是在各轴电流PI控制器输出中注入含有其他轴的分量，注入的分量与被控对象产生的耦合量大小相等、方向相反。

2.1.2PI调节器复合补偿控制设计

由电流内环的对称性，以d轴为例进行PI调节器的设计。考虑电流内环信号采样的延迟和PWM控制的小惯性特性两个因素，分别用1/(Tss+1)、1/(0.5Tss+1)两式替代[8]。

若将PI调节器传递函数改写成零极点形式，即：

(2)

将时间常数Ts/2、Ts合并，按典型Ⅰ型系统设计PI调节器，即以PI调节器零点抵消电流控制对象传递函数的极点，即Ti=L/R。其复合补偿控制结构如图4所示，其中Ts为电流内环采样周期(即PWM开关周期)，KPWM为桥路PWM等效增益。为了保证系统电流控制的较好跟随性能，同时增强系统的抗干扰性能，本文采用了复合补偿控制策略，就是电流内环PI调节器仍然按典型Ⅰ型系统设计，但加入了前馈补偿用以抑制扰动。

图4 电流内环的复合补偿控制结构

在实际系统设计时，常采用静态前馈补偿[9]来简化控制系统设计，图4中，Kf为静态前馈增益。前馈补偿的目的是抵消扰动，即在ed扰动下输出为零。当取Kf=1/KPWM时，控制系统不受扰动的影响。在取KPWM=300，R=0.1 Ω，L=0.01 H，Ts=0.5 ms进行仿真，阶跃响应曲线在0.009 s时趋于稳定状态，在0.02 s时加入ed扰动后，稳态波形发生突变，但在0.023 s时又恢复到稳态运行。扰动得到抵消，这证明复合补偿控制策略可行，在增强系统抗干扰的同时，提高了系统的跟随性能。

2.2 五段式SVPWM的软件实现

S-函数是系统函数(System Function)的简称，指采用非图形化的方式描述的一个功能块。在S-函数中使用文本方式输入公式、方程，非常适合复杂动态系统的数学描述，并且在仿真过程中可以进行更精确的控制。在Matlab的Simulink仿真环境中，用户通过S-函数[10]来搭建自己需要的模块，可以采用Matlab、C、C++、Fortran、Ada等语言编写S-函数。本文以TI DSP实现SVPWM算法的机理为参考，建立了基于C语言S-函数的五段式SVPWM逆变器仿真模型。与其他方法的SVPWM仿真研究相比，该方法更为简单、高效且容易理解。

软件实现SVPWM算法的步骤：首先判断Vref所在扇区及确定扇区内的基本矢量，然后计算出每个基本矢量作用的时间，进而确定各个开关的切换时间，最后通过与三角波调制信号的比较得出开关的触发脉冲。在Simulink环境中建立SVPWM算法仿真模型，与理想三相交流仿真结果进行对比，SVPWM逆变器的电感电流THD=1.5%，谐波含量不高，说明两个模型仿真得到的电感电流波形基本一致，SVPWM逆变器可与理想电压源等效，证明了此SVPWM算法软件实现的可能性和正确性。

2.3 矢量控制仿真结果分析

2.3.1 矢量控制系统

在Simulink环境中建立基于电网电压定向的矢量控制系统的仿真模型。该系统仿真模型有7大模块，包括SVPWM发生模块、逆变器IGBT电路、abc/αβ坐标变换模块、相位角γ检测模块、PI调节模块、dq/αβ坐标变换模块和电流调节器及解耦模块。

电路仿真参数：电网电压有效值为220 V，频率为50 Hz，直流侧电压vdc=700 V，三角波的周期为0.0005 s，幅值为0.000 25 s，开关频率为2 kHz，L=0.01 H，加入3次和5次谐波，电网电压频率以±0.5 Hz的偏差来回上下波动。

2.3.2 矢量控制系统仿真

基于电网电压定向的矢量控制系统，并网电感同为L=0.01 H时，并网电流能很好地跟随电网电压，两者的相位完全重合，实现了单位功率因数的并网运行，谐波含量THD=2.27%，达到预期的并网要求。

在电网电压中分别加入谐波和频率波动的情况下，对系统模型进行仿真并检验系统的抗干扰性能，所得仿真结果如图5所示。图中给出了A相并网电流频率随时间的变化图(上半部分)以及经FFT分解后不同次频率分量对应的谐波含量变化图(下半部分)，从图中可以看出谐波加入并没有造成并网电流波形谐波含量的大量增加，这说明基于电网电压定向的矢量控制系统能够对谐波有较好抑制，受其影响很小。而在电网电压存在频率波动的情况下，并网电流波形的低频谐波含量有较大提高，同时电网电压和并网电流的相位出现误差，没有实现系统单位功率因数的并网运行。这说明电网电压的频率波动这一干扰依旧对系统的并网运行有着较大影响。虽然并网电流波形无论是在运行还是幅值的稳定上都有很大提高，但是频率波动的干扰并没有得到很好的解决。

(a) 加入谐波 (b) 加入电压频率波动

3 结 论

并网质量是衡量并网逆变器设计与控制水平的重要指标。电网电压的谐波及频率波动都会对并网电能质量产生一定的影响，如无法消除将可能导致并网失败。

本文提出的矢量控制策略，主要针对并网电感值及开关频率对电流内环控制系统设计进行了改进，选择适当的并网电感值及开关频率，既抑制谐波又降低成本，通过仿真及FFT分析得出该控制系统能够成功完成并网运行，且对谐波和电网电压频率波动都有着较好的抑制作用，达到国家并网电能质量标准。但系统还不够全面，还有很多有研理论价值和实际意义的问题需要进一步研究。

[1] 田锋.我国新能源展望[J].化学工业,2010(1):20-23.

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[责任编辑：魏 强]

Study on the control strategy to improve electricity vector quality of grid inverter

LI Shao-bo, JU Meng-yao

(School of information Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010)

Grid power quality has a great influence on the inverter grid’s success. In order to improve the quality of grid through the research on grid inductance value and switching frequency to reduce the harmonic, frequency fluctuation, the influence of such factors as the five sections of SVPWM algorithm, and a modified vector control strategy is put forward. The study mainly focuses on the current inner loop control system design, and has completed the feedforward decoupling control, the PI controller and feedforward compensation control. Finally, based on grid voltage orientation, we have carried out a, simulation verification under the ideal voltage joinded with the harmonic voltage and frequency fluctuations. The experiment shows that this control strategy is of high feasibility.

grid inverter; grid quality; five-paragraph SVPWM; vector control

2016-10-17

2017-01-09

李少波(1978—)，男，内蒙古包头市人，内蒙古科技大学副教授，硕士研究生导师，硕士，主要研究方向为工业过程控制及工业无线通讯；剧孟瑶(1992—)，男，河北省石家庄市人，内蒙古科技大学硕士研究生，主要研究方向为电能质量监测系统。

1673-2944(2017)02-0054-06

TM464

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