基于改进DPC-SVM的三相并网逆变器

姚志垒，肖 岚

（1. 南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室，江苏 南京 210016；2. 盐城工学院电气工程学院，江苏 盐城 224051）

0 引言

随着环境污染的日益加剧、全球经济的快速增长和化石能源的不断紧缺，使得具有清洁、安全、无污染、可再生等优点的可再生能源，如太阳能[1-2]、燃料电池[3-4]和风能[5-6]等已成为当今研究的热点。太阳能电池和燃料电池等输出为直流电，风力发电机的输出为频率随风速变化的交流电，而电网为固定频率的交流电，因此，并网逆变器是分布式发电系统的重要组成部分[7-9]。

近年来，直接功率控制（Direct power control，DPC）由于具有控制简单和动态响应速度快等优点被广泛应用于三相并网逆变器[10]。该控制方法是基于直接转矩控制（Direct torque control，DTC）的思想由 Noguchi在 1998年提出的[11]。它无需任何控制内环和脉宽调制(Pulse width modulation, PWM)调节器便可实现对有功和无功的直接控制，开关状态根据参考功率和估计功率的差值通过在开关表中查询得到。但DPC开关频率不固定、进网电流波形质量差和要求快的采样速度[11-13]。

文献[14]提出了一种具有固定开关频率基于空间矢量调制（Space vector modulation，SVM）的DPC（简称 DPC-SVM）方法。该控制方法通过将有功和无功给定分别与预估的有功和无功比较后，经过各自PI调节器，将其输出通过SVM实现固定开关频率。与变开关频率的DPC相比，提高了进网电流波形质量，实现了功率的无静差控制，易于滤波器设计，但动态响应速度慢，在10 kHz的开关频率下动态响应速度为40~50 ms。

文献[15]提出了一种基于 αβ坐标下的 DPCSVM方法。该控制方法通过瞬时功率预估αβ坐标下的参考电压，其输出通过SVM，实现了定频控制和 αβ坐标下的解耦控制，但由于功率环的积分时间常数大，降低了系统的动态响应速度。

基于上述原因，本文在传统直接电流控制的基础上，提出了一种三相并网逆变器的改进DPC-SVM 方法。该控制方法提高了系统的动态响应速度。本文阐述了传统和改进DPC-SVM方法的工作原理，并对传统和改进DCP-SVM控制方法进行了仿真和实验验证。

1 传统DPC-SVM方法

图1是基于传统DPC-SVM三相并网逆变器的系统框图。其中，Uin是输入电压，L1和 L2分别是逆变器侧和网侧的滤波电感，Cf是输出滤波电容，iga、igb和igc分别是a、b和c相的进网电流，uga、ugb和ugc分别是a、b和c相的电网电压，ugd和ugq分别是电网电压经过 3/2变换后的直轴和交轴电压，p*和q*分别是参考有功和参考无功，参考方向如图1所示。

图1 基于传统DPC-SVM三相并网逆变器的系统框图Fig. 1 System block diagram of the three-phase grid-connected inverter with traditional DPC-SVM

分析之前作如下假设：

1）所有功率开关管均为理想器件，忽略死区时间；

2）所有电感和电容均为理想元件，且三相参数相同；

3）电网电压为三相对称的纯正弦波；

4）输入电压大于电网线电压的峰值；

5）稳态时，忽略功率脉动分量，参考功率等于实际功率，三相桥臂输出的直交轴参考电压 ud*和uq*分别等于实际的直交轴电压ud和uq。

由于LCL滤波和单L滤波低频特性相同，因此，基于LCL滤波的三相并网逆变器在低频段可看作是基于单L滤波的三相并网逆变器[16]，从而由图1可得基于LCL滤波的三相并网逆变器在dq旋转坐标系下的ud和uq分别为[6]

式中，ω为电网角频率；L=L1+L2。

由假设3)可得ugq=0，从而由瞬时功率理论可得[17]

式中，p和q分别为瞬时有功功率和瞬时无功功率。

假设电网电压恒定，则由式(1)~式(4)可得

由图1可得传统控制方法下的ud*和uq*分别为

式中，Δud和Δuq分别是有功和无功PI调节器的输出。由式(5)~式(8)和假设5)可得

由式(9)和式(10)可知，有功PI调节器的输出与无功有关，而无功PI调节器的输出与有功有关。因此，有功和无功相互耦合。此外，由于输出滤波电感的存在，进网电流无法突变，由式(3)和式(4)可知，有功和无功也无法突变，使得ud*和uq*在功率变化时无法直接反应参考功率的变化，从而降低了系统的动态响应速度。

2 改进DPC-SVM方法

图2是基于改进DPC-SVM三相并网逆变器的系统框图。参数定义同图1。需要说明的是传统DPC-SVM方法无图2中虚线部分的内容。分析之前所作假设同传统DPC-SVM方法。

图2 改进DPC-SVM三相并网逆变器的系统框图Fig. 2 System block diagram of the three-phase grid-connected inverter with improved DPC-SVM

由图2可得改进控制方法下的ud*和uq*分别为

由式(5)、式(6)、式(11)、式(12)和假设5)可得

由式(13)和式(14)可知，当Δud和Δuq作为等效控制变量时，有功和无功可实现解耦控制。此外，由图2可知，改进DPC-SVM方法引入参考功率前馈，在功率变化时直接反应参考功率的变化，从而提高了系统的动态响应速度。

3 仿真结果

为了验证理论分析，采用Saber软件对15 kVA基于传统和改进DPC-SVM方法的三相并网逆变器进行仿真研究。仿真参数如下：

1）输入电压：700 V；

2）电网相电压：240 V/50 Hz；

3）逆变器侧滤波电感和导线电阻分别为：1.8 mH和0.08 Ω；

4）网侧滤波电感和导线电阻分别为：1.5 mH和 0.03 Ω；

5）输出滤波电容：20 μF；

6）开关频率：5 kHz；

7）同一桥臂功率开关管的死区时间：3 μs。

图3是传统和改进DPC-SVM方法功率突加下q*、q、p*和p的仿真波形。由图3可知，改进控制方法比传统控制方法具有更快的动态响应速度；传统控制方法下有功和无功在功率突变过程中存在很大耦合，而改进控制方法下有功和无功在功率突变过程中基本实现了解耦控制。改进控制方法无法完全实现解耦控制的原因为：1）存在计算延时，使得图2中计算的p和q非实时功率；2）开关频率较低，使得图2中的控制量ud*和uq*延时较长；3）p和q存在高频分量，与p*和q*不完全相等。

图4是传统和改进DPC-SVM控制方法功率突卸下q*、q、p*和p的仿真波形。由图4可得与图3类似结论。

表1是传统和改进DPC-SVM方法在仿真结果下的动态响应时间（动态响应时间可由图3~图4得出）。由该表可知，改进控制方法下的动态响应速度比传统控制方法下的快。

4 实验结果

为了验证理论分析，研制了一台15 kVA基于DPC-SVM 三相并网逆变器的原理样机。实验参数同仿真参数。数字信号处理器采用 TI公司的TMS320F2812。

图5是传统和改进DPC-SVM控制方法功率突加下p*、q*、p和q的实验波形。由图5可知，改进控制方法比传统控制方法具有快的动态响应速度；传统控制方法有功和无功在功率变化过程中存在很大的耦合，而改进控制方法有功和无功在功率变化过程中基本实现了解耦控制。改进控制方法无法完全实现解耦控制的原因为：1）存在计算和采样延时，开关频率较低（具体分析同仿真结果）；2）p和q存在高频分量，与p*和q*不完全相等；3）受电网电压和电感值的不对称等因素的影响；4）解耦分量中的电感值与实际电感值存在误差。

图6是功率突卸下p*、q*、p和q的动态响应实验波形。由图6可得与图5类似结论。

图3 功率突加下q*、q、p*和p的动态响应仿真波形Fig. 3 Power step-up response of q*, q, p*, and p at simulation results

图4 功率突卸下q*、q、p*和p的动态响应仿真波形Fig. 4 Power step-down response of q*, q, p*, and p at simulation results

表1 传统和改进控制方法仿真结果下的动态响应时间Table 1 Dynamic response time under traditional and improved control methods at simulation results

图5 功率突加下p*、q*、p和q的动态响应实验波形Fig. 5 Power step-up response of p*, q*, p, and q at experimental results

图6 功率突卸下p*、q*、p和q的动态响应实验波形Fig. 6 Power step-down response of p*, q*, p, and q at experimental results

表2是传统和改进控制方法在实验结果下的动态响应时间（动态响应时间可由图5和图6得出）。由该表可知，传统控制方法下的动态响应时间比改进控制方法下的慢。仿真和实验结果存在误差的主要原因在于：仿真中未考虑电压和电流传感器的采样延时；实验中电网电压存在一定的谐波和不对称性；各器件参数存在不对称性；解耦分量中的电感值与实际电感值存在误差。

表2 传统和改进控制方法实验结果下的动态响应时间Table 2 Dynamic response time under traditional and improved control methods at experimental results

5 结论

本文研究了一种三相并网逆变器的改进DPC-SVM 方法。该控制方法是将有功和无功的解耦分量加入有功和无功 PI调节器的输出实现解耦控制和快的动态响应速度的。仿真和实验结果表明所提DPC-SVM方法比传统DPC-SVM方法具有快的动态响应速度，同时也减小了功率变化时有功和无功的耦合。为了进一步减小有功和无功的耦合，可通过提高开关频率和预测功率控制的方法实现。

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