單相并網(wǎng)逆變器的三態(tài)滯環(huán)控制策略

黃怡飛

（南方電網(wǎng)超高壓輸電公司貴陽局，貴陽 550009）

隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)于能源需求的不斷增加，全球范圍內(nèi)的能源危機(jī)日益突出，研究基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)具有重要意義[1-4]。利用可再生能源發(fā)電要解決的關(guān)鍵問題是如何可靠地高質(zhì)量地向電網(wǎng)輸送功率[5]。因此在可再生能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中起電能變換作用的逆變器及其控制策略成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)。逆變器并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行的主要控制問題是逆變器輸出正弦波電流(即并網(wǎng)電流)控制技術(shù)，要求并網(wǎng)電流能實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)電壓頻率、相位和并網(wǎng)容量給定的變化，且電流的總畸變失真要低，以減小對(duì)電網(wǎng)的諧波影響[6]。

滯環(huán)控制[7-9]是目前較為常見的控制方式之一，其基本原理是根據(jù)并網(wǎng)容量設(shè)定的電流參考值為基準(zhǔn)，按照一定的控制精度以及開關(guān)頻率要求，設(shè)計(jì)一個(gè)滯環(huán)環(huán)寬，當(dāng)實(shí)際的并網(wǎng)電流超出這一環(huán)寬時(shí)，逆變器開關(guān)動(dòng)作，使實(shí)際并網(wǎng)電流保持在設(shè)定的環(huán)寬內(nèi)，圍繞其參考值波動(dòng)。滯環(huán)控制方式硬件實(shí)現(xiàn)容易，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，電流跟蹤誤差小且具有強(qiáng)魯棒性，但傳統(tǒng)的兩態(tài)滯環(huán)控制只有輸入能量和回饋能量兩個(gè)狀態(tài)，故逆變器橋臂中點(diǎn)電壓uAB是雙極性變化的，因此其開關(guān)頻率波動(dòng)性大、網(wǎng)側(cè)濾波電感設(shè)計(jì)困難、電流的波動(dòng)也較大。

針對(duì)兩態(tài)滯環(huán)控制的不足，本文提出一種新型的三態(tài)滯環(huán)控制新方法。該控制方案只需在原控制電路中增加過零比較器，通過設(shè)置合理的開關(guān)邏輯，從而實(shí)現(xiàn)滯環(huán)控制下并網(wǎng)逆變器的三態(tài)輸出。該控制方案結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，輸出電能質(zhì)量良好，且全橋電路中只有兩個(gè)開關(guān)工作于高頻狀態(tài)，有利于降低功率管開關(guān)損耗，提高并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行效率。本文通過理論分析和仿真研究，驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性。

1 單相并網(wǎng)逆變器的滯環(huán)控制原理

單相并網(wǎng)逆變器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中Ud為可再生能源發(fā)出的電能經(jīng)過前級(jí)電路變換后得到的較為穩(wěn)定的直流電壓，L為濾波器，us為電網(wǎng)電壓。在并網(wǎng)系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓us是固定的，因此可控制量只有并網(wǎng)電流。

圖1 單相并網(wǎng)逆變器拓?fù)鋱D

1.1 傳統(tǒng)的兩態(tài)滯環(huán)控制的基本原理

傳統(tǒng)的兩態(tài)滯環(huán)控制原理圖如圖2所示，以與電網(wǎng)電壓同頻同相的參考電流信號(hào)iref為基準(zhǔn)，該參考信號(hào)是由相位檢測環(huán)節(jié)得到的同步信號(hào)與并網(wǎng)電流幅值給定一起送正弦波發(fā)生器得到的，再按照一定的控制精度以及開關(guān)頻率要求，設(shè)計(jì)一個(gè)滯環(huán)環(huán)寬H，當(dāng)參考電流iref與實(shí)際的并網(wǎng)電流iL之差 Δi超出這一環(huán)寬時(shí)，逆變器開關(guān)動(dòng)作，使實(shí)際并網(wǎng)電流保持在設(shè)定的環(huán)寬內(nèi)，圍繞其參考值波動(dòng)。

圖2 兩態(tài)滯環(huán)控制原理圖

以圖1中的單相并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電壓的正半周為例，當(dāng)電流誤差 Δi大于環(huán)寬H時(shí)，說明實(shí)際并網(wǎng)電流小于參考電流，此時(shí) S1和 S4導(dǎo)通，S2和S3關(guān)斷，A、B兩點(diǎn)輸出電壓為Ud，濾波電感承受正電壓，并網(wǎng)電流iL上升；當(dāng)iL上升到使Δi小于-H時(shí)，此時(shí)S2和S3導(dǎo)通，S1和S4關(guān)斷，A、B兩點(diǎn)輸出電壓為-Ud，濾波電感承受負(fù)電壓，并網(wǎng)電流iL下降。因此并網(wǎng)電流被限制在環(huán)寬±H內(nèi)變化。

1.2 三態(tài)滯環(huán)控制的基本原理

本文提出的三態(tài)滯環(huán)控制的原理圖如圖3所示，同樣是通過參考電流iref與實(shí)際的并網(wǎng)電流iL之差 Δi與設(shè)定的環(huán)寬H進(jìn)行比較，使逆變器開關(guān)動(dòng)作，但有別于傳統(tǒng)的滯環(huán)控制，本文以電網(wǎng)電壓的正本周為例進(jìn)行說明。

圖3 三態(tài)滯環(huán)控制原理圖

在電網(wǎng)電壓的正本周，當(dāng)電流誤差Δi大于環(huán)寬H時(shí)，說明實(shí)際并網(wǎng)電流小于參考電流，此時(shí)S1和S4導(dǎo)通，S2和S3關(guān)斷，A、B兩點(diǎn)輸出電壓為Ud，濾波電感承受正電壓，并網(wǎng)電流iL上升；當(dāng)iL上升到使 Δi小于-H時(shí)，此時(shí) S1和 S2導(dǎo)通，S3和 S4關(guān)斷，A、B兩點(diǎn)輸出電壓為0，濾波電感承受負(fù)電壓，并網(wǎng)電流iL下降。因此并網(wǎng)電流被限制在環(huán)寬±H內(nèi)變化。當(dāng)處于電網(wǎng)電壓負(fù)半周時(shí)，可作類似分析，在此不再贅述，A、B兩點(diǎn)輸出電壓為-Ud和0。

2 三態(tài)滯環(huán)控制策略的實(shí)現(xiàn)

由 1.2節(jié)中分析可知，在電網(wǎng)電壓的正半周，開關(guān)S1一直導(dǎo)通，S2，S4互補(bǔ)導(dǎo)通；在電網(wǎng)電壓的負(fù)半周，開關(guān)S3一直導(dǎo)通，S2，S4互補(bǔ)導(dǎo)通。因此，在一個(gè)工頻周期內(nèi)4個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和逆變器輸出電壓的示意圖如圖4所示，開關(guān)管S1、S3工作在工頻狀態(tài)，S2、S4工作在高頻狀態(tài)。與4個(gè)開關(guān)管均工作于高頻狀態(tài)的兩態(tài)滯環(huán)控制相比，本控制方式下的開關(guān)損耗明顯減小。

圖4 開關(guān)邏輯及uAB輸出

由于S1、S3工作于工頻互補(bǔ)導(dǎo)通狀態(tài)，因此可將并網(wǎng)電流的參考信號(hào)通過過零比較器產(chǎn)生其驅(qū)動(dòng)脈沖；S2、S4的高頻互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)則由并網(wǎng)電流的參考值與實(shí)際值之差通過兩態(tài)滯環(huán)控制器所產(chǎn)生的PWM 脈沖來提供，以此構(gòu)成本文的新型三態(tài)滯環(huán)控制系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 兩態(tài)滯環(huán)控制原理圖

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的控制方式的可行性及性能，利用Matlab/Sinulink搭建電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，具體參數(shù)設(shè)置如下：

1）直流輸入電壓Ud=400V；

2）電網(wǎng)電壓的有效值為 220V，電網(wǎng)電壓的頻率fs=50Hz，相角θ=0°；

3）濾波電感L=1mH；

4）滯環(huán)環(huán)寬H=0.1。

仿真結(jié)果如圖6－圖8所示，圖6為當(dāng)并網(wǎng)參考電流iref的幅值設(shè)定為 20A時(shí)的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的波形，由圖6可知，并網(wǎng)逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，實(shí)現(xiàn)了以單位功率因數(shù)并網(wǎng)的要求，且其輸出電能質(zhì)量良好。利用Sinulink中的快速傅里葉分析模塊對(duì)相同仿真參數(shù)的三態(tài)滯環(huán)控制及傳統(tǒng)的兩態(tài)滯環(huán)控制方式下的并網(wǎng)電流iL及輸出端電壓uAB進(jìn)行頻譜分析，其結(jié)果如表1，由此可知，本文所提出的三態(tài)滯環(huán)控制并網(wǎng)電流的諧波畸變率為 0.95%，輸出端電壓諧波畸變率為 1.59%，均遠(yuǎn)低于國家要求的5%的水平，且相對(duì)于傳統(tǒng)的兩態(tài)滯環(huán)控制，本控制方式向電網(wǎng)中注入的諧波含量大大減少，有利于提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

表1 兩種控制方式輸出性能比較

圖6 并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓波形

圖7 并網(wǎng)逆變器輸出端電壓波形

圖7為并網(wǎng)逆變器輸出端電壓uAB的波形，從圖中可知，輸出端電壓uAB在一個(gè)工頻周期內(nèi)存在Ud，0，-Ud三種狀態(tài)，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖8 參考電流突變時(shí)并網(wǎng)電流波形

圖8為參考電流幅值在0.085s時(shí)從20A突變?yōu)?0A時(shí)，并網(wǎng)電流的動(dòng)態(tài)波形，由圖8可知，在該控制方式下，并網(wǎng)電流能夠迅速地跟蹤參考信號(hào)的變化，并在一個(gè)周期內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，說明本文所提出的三態(tài)滯環(huán)控制策略具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

4 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)的兩態(tài)滯環(huán)控制的基礎(chǔ)上，提出了一種用于并網(wǎng)逆變器的三態(tài)電流滯環(huán)控制新方法，理論分析與仿真結(jié)果均表明，該控制方式的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能均較好，且并網(wǎng)電流及逆變器輸出電壓的總諧波畸變率??；另外，該控制方式可以明顯減小開關(guān)損耗，提高了逆變器的效率。這種新型的控制策略實(shí)現(xiàn)方法簡單，在中、小型功率的可再生能源發(fā)電并網(wǎng)中有一定的實(shí)用價(jià)值。

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