三相兩電平并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)控制策略研究

王自立 魯旭

摘要：并網(wǎng)逆變器作為新能源發(fā)電系統(tǒng)的核心裝置，是新能源轉(zhuǎn)換為電能的關(guān)鍵所在。針對(duì)三相兩電平并網(wǎng)逆變器，首先建立了其數(shù)學(xué)模型，然后采用了基于電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，最后在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，仿真結(jié)果證明了控制策略的正確性與有效性。

關(guān)鍵詞：三相兩電平并網(wǎng)逆變器;數(shù)學(xué)模型;雙閉環(huán);控制策略

0? ? 引言

伴隨著化石能源的枯竭，如今各國(guó)都在尋求發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能等可再生能源，以應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，因此如何將可再生能源轉(zhuǎn)換為電能，并高質(zhì)量饋送到電網(wǎng)成為了問(wèn)題研究的關(guān)鍵[1]。并網(wǎng)逆變器作為新能源發(fā)電系統(tǒng)的核心裝置，其控制策略的優(yōu)劣關(guān)系到并網(wǎng)成功與否。本文在建立三相兩電平并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了電壓、電流雙閉環(huán)控制策略，并基于Simulink搭建了仿真模型，對(duì)文章所提控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

1? ? 數(shù)學(xué)模型分析

圖1為基于單L濾波器的三相兩電平并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

根據(jù)圖1，并假設(shè)電網(wǎng)嚴(yán)格對(duì)稱，根據(jù)基爾霍夫電壓定律（KVL），可列出在三相abc靜止坐標(biāo)系下三相兩電平并網(wǎng)逆變器輸出電壓關(guān)系為：

將公式（1）轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，則有公式（2）成立：

公式（2）即為dq坐標(biāo)系下的逆變器數(shù)學(xué)模型。

采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略，此時(shí)ed與電網(wǎng)電壓幅值相等，eq為0。根據(jù)瞬時(shí)功率理論，若經(jīng)并網(wǎng)逆變器傳輸?shù)挠泄β蕿镻、無(wú)功功率為Q，則有公式（3）成立：

通過(guò)公式（3）可知，通過(guò)控制直軸、交軸電流id、iq，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)逆變器有功與無(wú)功的控制。

2? ? 并網(wǎng)逆變器控制策略

2.1? ? 電流內(nèi)環(huán)控制策略

由公式（2）可知，在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，逆變器交直軸輸出電壓之間相互耦合，無(wú)法實(shí)現(xiàn)ud、uq的獨(dú)立控制，因此需要進(jìn)行解耦[2]。本文引入了PI控制器，通過(guò)在系統(tǒng)的輸入之前增加前饋?lái)?xiàng)，用前饋?lái)?xiàng)抵消系統(tǒng)中的耦合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變量的獨(dú)立控制。引入PI控制器后，方程式（2）可以改寫為：

由公式（4）可以得到電流內(nèi)環(huán)解耦框圖，如圖2所示。

針對(duì)并網(wǎng)逆變器的控制一般按最大功率因數(shù)進(jìn)行，因此實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)使無(wú)功為0，由于交軸電流iq控制無(wú)功功率，因此交軸電流參考量iq_ref為0;直軸電流參考量則由電壓外環(huán)給定。

2.2? ? 電壓外環(huán)控制策略

電壓外環(huán)作用在于穩(wěn)定直流母線電壓;在不考慮功率損耗的情況下，直流側(cè)有功與交流側(cè)有功相等，即有公式（5）成立：

由公式（5）可知，由于ed固定，因此通過(guò)改變Udc的大小可以直接改變id。故引入了PI控制器對(duì)Udc進(jìn)行負(fù)反饋控制，然后將經(jīng)PI環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)后的輸出作為內(nèi)環(huán)的id_ref，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定直流母線電壓的目的。電壓外環(huán)可用公式（6）表示：

式中，Kp、Ki是電壓外環(huán)PI控制器的比例與積分常數(shù);Udc_ref、Udc分別為直流母線電壓指令值與實(shí)際值。

電壓外環(huán)輸出值則為電流內(nèi)環(huán)直軸電流的指令值。

圖3為雙閉環(huán)控制原理示意圖。

3? ? 仿真與分析

為了驗(yàn)證本文提出控制策略的正確性，在Simulink中搭建了仿真模型，Udc=660 V，L=4.8 mH，el-l=380 V，基波頻率f=50 Hz，開(kāi)關(guān)頻率fs=6 kHz，功率等級(jí)P=30 kW。圖4為A相電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流仿真結(jié)果，可以看到并網(wǎng)電流具有良好的正弦性，證明了電流內(nèi)環(huán)控制策略的有效性。

圖5為直流母線電壓仿真結(jié)果，可以看到直流母線電壓穩(wěn)定在660 V左右，證明本文所提的電壓外環(huán)控制策略能夠有效穩(wěn)定直流母線電壓。

圖6為A相電流的THD分析圖，可以看到THD僅為3.47%，小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)5%，滿足并網(wǎng)要求。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了三相兩電平并網(wǎng)逆變器的實(shí)現(xiàn)原理及過(guò)程，采用了電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，仿真結(jié)果證明了本文所提方法的可行性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 丁琦.風(fēng)電并網(wǎng)逆變器控制策略研究[D].錦州：遼寧工業(yè)大學(xué)，2019.

[2] 辛雙志，王丙輝，曾洋，等.基于PI控制的兩電平光伏并網(wǎng)逆變器研究[J].電子質(zhì)量，2017（9）：54-59.

收稿日期：2020-04-22

作者簡(jiǎn)介：王自立（1992—），男，河南南陽(yáng)人，在讀碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。

魯旭（1995—），男，河南開(kāi)封人，在讀碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。