实时电流跟踪型并网逆变器谐波抑制方法

王湘明，周 翔，胡维哲，董磊书

（1.沈阳工业大学a.信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110178；b.自控技术研究所，辽宁 沈阳 110027；2.辽阳供电公司，辽宁 辽阳 111000）

并网逆变器常采用三相电压型桥式逆变电路，但其控制系统较为复杂，并且直接影响整个系统的性能.针对逆变器网侧电流的控制性能对控制系统性能的优劣起到决定性作用这一特性，文献［1］提出了一种对三相并网逆变器的输出电流进行滞环控制的策略，这种控制方法实现简单、响应快.文献［2］提出了一种并网逆变器正弦波脉宽调制（SPWM）控制策略，采用此控制策略和后级LC滤波电路可以获得较好的正弦波电压输出，但其直流电压利用率低.文献［3-5］从并网逆变器的控制策略应用现状考虑，对并网逆变器空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制技术进行了研究，得出其开关频率固定、具有更低的高次谐波和电压利用率高等优点.针对复杂的负载类型，研究人员已经提出了一些解决方案，例如文献［6］提出了一种带非线性负载的逆变器控制方案，该方法在一定程度上解决了未接入电网时的谐波抑制问题.本文在前人研究的基础上，将空间矢量脉宽调制技术应用在带非线性负载的并网逆变器中，提出了一种并网逆变器的实时电流跟踪控制方法，并着重介绍了逆变系统的实时电流跟踪控制原理、策略及其仿真实现.

1 实时电流跟踪方法

在传统的逆变器并网中［3-5］，大多近似理解为公共连接点在距各种负载远端，可以理解为近似不带负载.在这样的并网逆变器控制系统中，控制策略包含两个关键部分，即控制逆变器输出和控制直流侧电压恒定，其中，直流侧电压的恒定控制以基于最大功率跟踪（MPPT）策略最为流行.在直接电流控制中，一路电流的参考信号由MPPT算法给定，另一路参考信号近似给定为0.为了消除电流的稳态误差，必须进行解耦控制，不可避免地要对电网电压锁相.而实际情况并非如此理想，如周波变流器和电机变速驱动装置等已知和未知的谐波源负载有很多，这是逆变器并网必须面对的问题.

图1为三相并网逆变器拓扑结构，并网逆变器将直流电转换后并入电网.拓扑采用三相全桥式逆变电路，逆变桥输出经过滤波电感、电容连接到电网上，电网同时连接到由二极管整流桥构成的非线性负载上，此非线性负载的电流包括基波部分和高次谐波电流部分.

如图1所示的逆变器主电路微分方程可以描述为

将给定的abc轴系经CLARK变换到αβ直角坐标系下，则式（1）为

式（2）经过PARK变换，变换到以电网基波频率同步旋转的dq坐标系：

考虑电网侧扰动和低次谐波干扰的影响，用下角标n代表额定值，式（3）可以表示为

式（4）中由于含有微分算法，且指令电流变化很快，直接求取难度较大.实际应用中，由于采样时间很短，可用差分方程代替微分算法，在采样时刻k，对dq旋转轴系电流进行离散化，则

由拉格朗日二次插值公式，式（6）中的hdq（tk）可以表述为

从而可以得到式（6）中的idq（tk），其中（tk＋1）为参考电流.

图1 并网逆变器主电路拓扑结构Fig.1 Main circuit topology of grid-connected inverter

实时电流跟踪控制方法的基本原理是：经谐波估计模块计算得到的电网侧谐波电流经过相应运算作为参考电流，与逆变器输出电流比较后得到电流参考控制信号.电流信号经过两个常规PI调节器调节得到电压信号，此电压信号与参考电压信号进行交截，得到空间矢量脉宽调制信号控制功率器件的导通与关断.实时电流跟踪控制策略采用双环控制：外环为输出电压实时反馈控制，内环为输出电流实时反馈控制.

在实时电流跟踪控制方案中，并网逆变系统从畸变的电流中检测出基波电流，并且补偿谐波和无功部分的电流.并网逆变系统通过采用实时电流跟踪控制方式控制逆变器IGBT，通过调节逆变桥输出提供全部的无功功率和谐波功率来控制电网侧电流，使系统实现并网目标.电网侧电流is（t）和电网电压同相，而且是正弦的，并网逆变器提供的补偿电流为ic（t）＝is（t）-iL（t）.通过控制逆变桥IGBT的通断，调节dq轴电流，可以保持直流侧电压稳定，实现有功功率和无功功率的解耦控制，并且可以控制流向电网的无功功率.

2 并网逆变器实时电流跟踪谐波抑制方法的实现

本文提出的基于谐波电流PI控制器和功率控制器的并网逆变器控制系统原理如图2所示.与传统的并网逆变器控制系统相比，电流环和电压环的双环控制没有改变，在结构上看只是增加了可变的非线性负载，而且是用一个PI控制器代替坐标变换后的有功电流分量控制，用一个PI控制器代替无功电流分量控制.电压环控制的目的是使逆变器按给定参考功率工作，两电压的差值不是直接作为最终相位，而是经过G（s）环节后再输出，最终实现单位功率因数及低谐波电流控制.

图2 改进的并网逆变器控制系统框图Fig.2 Block diagram of improved grid-connected inverter control system

带非线性负载情况下谐波估计是采用一种改进的瞬时功率理论［7］，其关键部分是锁相环（PLL）电路，该PLL电路除了能实时跟踪系统电压的基波频率外，还能在畸变和不对称电压波形下正常工作.文献［8］采用了一种新型数字PLL电路设计，这种PLL电路对电压波形畸变和不对称几乎不敏感.为了消除电网电压带来的一定幅值的扰动，通过采用文献［9］中提出的功率计算模块得到的参考电压进行前馈控制，削减闭环的负担，从而进一步保证良好的波形.控制谐波电流时，采用两个PI控制器相结合，这是因为实际情况中负载可能发生变化，单个PI控制器难以满足控制要求.

本文提出的实时电流跟踪控制技术直接控制输出电流，使之在预设波形附近变化，其中可以把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形磁场来控制逆变器的工作.SVPWM控制策略是在一个设定的采样周期内，根据参考电压矢量所在的区间位置，选择与之相邻的两个基本电压空间矢量（±60°的电压矢量）以及零电压矢量U0来合成参考电压空间矢量.其原理如图3所示，U0，U4，U6均为电压矢量.

图3 电压矢量Uref的合成原理Fig.3 Synthesis principle of the voltage vector Uref

3 仿真模型建立

依托沈阳工业大学自控技术研究所全钒液流储能电池系统，利用Matlab／Simulink仿真平台，对所提出的策略进行仿真分析.并网逆变器仿真模型如图4所示.

图4 并网逆变器控制系统仿真模型Fig.4 Simulation model of grid-connected inverter control system

逆变器仿真参数如下：直流侧电压为400V；直流侧电感为500μH；总线并联电容为400μF；电网额定电压为380V；系统频率为工频50Hz；电源内部参数Rs，Ls分别为0.8Ω，0.01μH；负载线路电感为500μH；d轴PI控制器参数KP＝0.08，KI＝19；q轴PI控制器参数 KP＝6，KI＝51；功率开关器件是反并联续流二极管的IGBT.

仿真过程中，直流侧电源采用全钒液流储能电池模型，经Boost升压后输出恒定电压.逆变器输出端挂接到三相电网上，同时带有三相非线性整流桥负载.仿真时间为0.5s，0.05s时，准确检测到谐波波形.

4 仿真结果分析

4.1 谐波电流检测与分析

仿真参数如下：非线性整流桥负载内阻为11.2Ω；电感为20μH.图5a为负载侧三相电流波形，受负载带来的谐波影响，发生畸变；图5b为上述负载情况下检测到的谐波波形.由图5可以看出，采用此策略后，可以检测到网侧受非线性整流桥负载影响时波形情况和负载所产生的谐波电流波形.

图5 谐波电流检测波形Fig.5 Harmonic current detection waveform

仍采用不可控整流桥非线性负载，负载变大时，仿真参数如下：整流桥负载内阻为6.73Ω；电感为7.832μH；此时的负载侧电流波形如图6a所示，与图5a所示相比，幅值有所减小.此负载情况下谐波幅值如图6b所示，幅值有所减小，畸变程度有微小增大.由图6可以看出，采用此策略后，在同种非线性整流桥负载增大情况下，同样可以检测到网侧受负载影响的波形情况和此种负载所产生的谐波电流波形.

图6 非线性负载增大时谐波检测波形Fig.6 Harmonic detection waveform with lager nonlinear load

4.2 谐波抑制结果分析

非线性整流桥负载仿真参数如下：内阻为11.2Ω；电感为20μH；网侧电压和电流功率因数校正结果见图7a，电流和电压相位相同，电压幅值小于电压.此时，对并网逆变器网侧电流进行快速傅里叶变换（FFT）分析，得到如图7b所示的抑制谐波之后的网侧电流阶次，总谐波畸变度（THD%）为2.93%.

由图7可以看出，采用此策略后，对此种非线性负载产生的谐波及其对电网的影响可以得到有效抑制，可以实现有功功率的传送，功率因数满足要求.

当非线性负载仿真参数为内阻6.73Ω，电感7.832μH，负载侧含有除3的倍数外的奇数次时，谐波如图8a所示，总谐波畸变度（THD%）为30.64%.此时，网侧电压和电流同相位，电流波形为正弦.网侧电流快速傅里叶变换（FFT）分析结果如图8b所示，总谐波畸变度（THD%）为4.18%，阶次仍为不含3及其倍数的奇数次，较负载未变化前增加了1.25%.

图7 三相电压和三相电流功率因数校正Fig.7 Power factor correction for three-phase voltage and current

图8 谐波快速傅里叶变换（FFT）分析结果Fig.8 Harmonics Fast Fourier Transform （ FFT）analysis results

由图8可以看出，对同种非线性不可控整流桥负载，当负载有所增大时，实时电流跟踪方法同样可以有效地实现谐波抑制，电网侧电流的总谐波畸变度（THD%）小于5%，满足 American National Standard（ANSI）IEEE Std 519-1992要求［10］.

5 结 语

本文提出了一种改进的基于实时电流跟踪的带非线性负载的并网逆变器空间矢量脉宽调制控制策略，此方法利用谐波参与控制，采用两个PI控制器，通过利用功率计算得到的电压矢量进行控制.此方法原理简单，而且结构也不复杂，实现容易，实时跟踪效果好，鲁棒性较强.从仿真结果可以看出，当带有大小不等的同种非线性不可控整流桥负载时，运用此控制策略均可以实现电网侧谐波的抑制，得到良好的电流控制波形，达到有效并网的目的.

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