基于比例谐振控制的电流源逆变器性能研究

王超安树怀秦庆山孙振海吴绍军

(1.国网山东省电力公司青岛供电公司，山东 青岛266002；2.山东建筑大学 信息与电气工程学院，山东 济南250101；3.山东睿电能源科技有限公司，山东 济南250101)

0 引言

随着反向阻断型功率开关器件和电感储能技术的发展，具有效率高、体积小等优点的电力电子逆变器在电网中得到了广泛的应用。相比于传统的电气设备，电力电子逆变器更加灵活，能为分布式发电提供无缝接入的可靠接口，在智能电网中起着越来越重要的作用[1]。逆变器通常分为两类:电压源逆变器和电流源逆变器。电压源逆变器输出特定的脉冲宽度调制PWM(Pulse Width Modulation)电压波形，电流源逆变器输出特定的电流波形[2-5]。在传统的光伏并网系统中，大多采用的逆变器为电压源性逆变器，其中单极性电压源性逆变器工作场合只能为直流侧电压高于网侧电压，且直流侧电压为恒定值[6]。随着功率开关器件和电感储能技术的发展，在功率范围为0.4 MW～40.0 MW、电压范围为2.3 kV～13.8 kV的中压驱动系统中，电流源逆变器已成为应用最广泛的中压逆变器[7]。电流源逆变器较电压源逆变器具有短路保护功能、输出电流可控、更少的电力电子器件等优点，能在直流电压低于电网电压峰值的场合中工作，且能在宽范围内调节直流侧电压[8-9]，这些特性使得电流源逆变器在输入电流纹波小、单极升压大容量电能变换等各种功率转换应用中备受关注，如光伏发电系统、不间断电源及变速驱动系统[10-11]。

为了保持交流侧较低的谐波电流，传统控制方案通常需要电流源逆变器工作在较高的开关频率[12]。但电流源逆变器在直流侧使用大的直流储能电感，协同交流侧的电感电容滤波环节，出现了电流畸变和震荡等问题，降低了电能质量，大大制约了电流源型逆变器在分布式PV系统中的发展[13]。通过比较并网逆变器基于传统比例积分PI(Proportional Integral)控制器与比例谐振 PR(Proportional Resonance)控制器的控制技术及其应用效果发现，即使PI控制的比例系数、积分系数与PR控制的比例系数、谐振系数完全相同，但PR控制下的系统响应时间更快、控制与跟踪精度更高[14]。鉴于此，文章采用基于PR控制的电流源逆变器，精确地跟踪正弦波信号[15-17]，分别实现对分布式发电系统电流和系统电压的优化控制，分析了电流源逆变器的在光伏发电系统和不间断供电系统UPS(Uninterruptible Power System)2种应用场合的控制方案特性，给出了控制系统的频域分析，并在光伏系统和不间断供电系统中验证了控制策略的有效性。

1 基于比例谐振控制的电流源逆变器配置与控制结构

1.1 光伏发电系统中电流源逆变器配置与控制结构

光伏发电系统的电流源逆变器配置与控制结构如图1所示。上部是光伏发电系统的电路部分，PV为光伏阵列，Grid代表电网，6个集成门极换流晶闸管IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors)或绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)用来保证电流从直流侧到交流侧的单向流动[18]。交流侧电容Cf有助于逆变器换流和滤除交流侧电流中的谐波，电阻Rs和电感Lf串联以改善交流侧滤波器的衰减能力，逆变器连接电网的电压为Vg，逆变器直流侧连接电感降低直流电流波动，电流源逆变器实现了将直流转换成交流的功能。下部为光伏发电系统的控制部分，通过PR控制器调节电网电流ig。

电网参考电流可以通过给定的有功功率P*、无功功率Q*和锁相环给出的电网相角θαβ计算得到。通过比例谐振控制器将换算成逆变器参考电流，用直流侧电流id除以可得空间矢量脉宽调制SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)的调试参考变量[19]。相比电压源逆变器传统的双回路控制器跟踪电网电流，电流源逆变器的单回路控制器跟踪电网电流具有明显的优势。光伏发电系统电流源逆变器的控制结构如图2所示。图2中，参考电流为系统输入，系统电压扰动为Vg，电网电流ig系统输出。PR控制器用来实现电网电流跟踪，其传递函数由式(1)表示为

式中:GPR(s)为PR控制器的传递函数；kp、kr分别为比例增益、谐振增益；ω0、ωc分别为系统基波频率、截止频率，Hz。基于PR控制器的电流控制性能可以用频域分析法进行分析。ig到Vg的传递函数伯德图如图3所示。可以看出，在几乎所有的频率下幅值增益都非常小，在基波频率下更为明显。因此，电网电流对电网电压的扰动不敏感。ig到的传递函数伯德图如图4所示。在基波频率下ig对的幅频响应为0 dB，相频响应为0，表明电流源逆变器具有良好的电流跟踪性能。

图1 光伏发电系统电流源逆变器配置与控制结构图

图2 光伏发电系统电流源逆变器控制结构方框图

图3 电网电流ig对电网电压Vg的伯德图

图4 电网电流ig对参考电流的伯德图

1.2 不间断供电系统中电流源逆变器配置与控制结构

当电网供电断开时，不间断供电系统UPS可以对负载提供连续的供电。电流源逆变器应用于不间断供电系统，其结构及相应的控制策略如图5所示。电流源逆变器的结构与图1相同，控制的目标变为保持负载侧供电的电压质量。直流侧计入电池储能系统，用DC/DC变换器和电感Ld来降低直流电流id纹波[20]。在电流源逆变器的交流侧，非线性负载接入公共连接点用来验证系统的性能。

图5的下部为不间断供电系统逆变器控制结构，与图1的控制部分相似，为基于PR控制器的单闭环控制系统。PR控制器通过抑制负载谐波电流来保证系统的电压质量。具有多谐振频率的比例谐振控制器用来实现准确的电压跟踪控制，多谐振频率PR控制器传递函数由式(2)表示为

式中:GV＿PR(s)为多谐振频率PR控制器传递函数；h为频率阶数，当h=1时代表基波频率，根据系统需求，h可以扩展到 11、13、17、19 等，用来消除 11、13、17、19次等高次谐波；krh和ωch分别为h次谐波下的谐振增益和截止频率。

不间断供电系统逆变器的控制结构如图6所示。图中系统输入为公共连节点参考电压，系统扰动为负载侧电流iL，系统输出为公共连接点电压VPCC。VPCC到负载侧电流iL的传递函数伯德图如图7所示。可以看出，输出电压对负载侧电流的响应在所选频率下幅值增益较低。因此，负载侧电流对输出电压的影响较小。VPCC到的传递函数伯德图如图8所示。可以看出，系统在所选频率下的幅频响应为0，相频响应为0，很好地保证了在基波和所选谐波频率下的电压跟踪控制效果。

图5 UPS电流源逆变器配置与控制结构图

图6 UPS电流源逆变器控制结构图

图7 公共连接点电压对负载电流的响应图

2 基于比例谐振控制的电流源逆变器性能研究

2.1 光伏发电系统中电流源逆变器的性能研究

为验证电流源逆变器在光伏发电系统中的性能，进行了仿真试验。系统仿真中光伏发电系统参数见表1。系统给定参考有功功率为5 kW，参考无功功率为0。电流源逆变器的仿真结果如图9所示。可以看出，电网电流与电网电压同相位，即电网的功率因数为1。PWM开关电流波形如图9(c)所示，不同于电压源逆变器输出连续电流，电流源逆变器输出电流不连续。因此，电流源逆变器需安装滤波电容吸收开关纹波。电网电流的谐波频谱如图10所示，谐波畸变率THD(Toal Harmonic Distortion)为3.22%，可以看出电流跟踪控制效果良好，很好地满足了光伏并网的电能质量要求。

图8 公共连接点电压对参考电压的响应图

表1 光伏发电系统参数表

图9 光伏发电系统逆变器仿真结果图

图10 光伏发电系统并网点电流谐波频谱图

2.2 不间断供电系统中电流源逆变器性能的研究

为验证电流源逆变器在不间断供电系统中的性能，进行了仿真试验，并对采用比例谐振控制器前后结果进行了对比。仿真中不间断供电系统参数见表2。仅有基频比例控制器的控制效果如图11所示，电压波形的频谱图如图12所示。由于非线性负载的影响，公共连接点的电压波形失真严重，THD为15.64%。

比例谐振控制器的控制效果如图13所示，可以看出控制性能比单纯基频比例控制器明显提高，电压波形的频谱图如图14所示，公共连接点的电压波形THD为2.26%，可以看出，5、7次谐波得到明显抑制。因此，使用比例谐振控制器后，公共连接点电压不会受到非线性负载谐波的影响。

表2 不间断供电系统参数表

图11 UPS逆变器控制仿真效果图(h=1)

图12 UPS公共连接点电压谐波频谱图(h=1)

图13 UPS逆变器控制仿真效果图(h=1、5、7)

图14 UPS公共连接点电压谐波频谱图(h=1、5、7)

3 结论

文章分析了电流源逆变器在光伏发电系统和不间断供电系统2种应用场合的控制方案特性，设计了比例谐振控制器控制策略，给出了控制系统的频域分析，并进行了仿真验证，主要结论如下:

(1)在光伏发电系统中，应用基于比例谐振控制的电流源逆变器，电网电流的THD为3.22%，电流跟踪控制效果良好，能够很好地满足了光伏并网的电能质量要求。

(2)在不间断供电系统中，比例谐振控制器的控制性能比单纯基频比例控制器明显提高，公共连接点的电压波形THD为2.26%，使用比例谐振控制器后，公共连接点电压不会受到非线性负载谐波的影响。