光伏并网逆变器的控制策略研究

邓 命，席自强，李开成

（湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉 430068）

光伏并网逆变器的控制策略研究

邓 命，席自强，李开成

（湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉 430068）

阐述了一种基于空间矢量变换的三相并网逆变器的控制策略。建立了在两相同步旋转坐标系dq下的逆变器的数学模型，提出了基于空间矢量变换的电压电流双闭环控制策略，实现了并网电流的有功分量与无功分量的独立控制，并给出电流环的解耦控制与电网电压的前馈控制。提出了一种新的空间矢量算法。仿真结果显示，采用该控制策略可以很好地改善并网电流质量，并可实现高功率因数并网。

并网逆变器；空间矢量；电压前馈；双闭环控制

随着全球的石油、天然气、煤等这些不可再生能源的日趋紧张，环境污染问题的加重，人们在迫切寻找可方便利用且无污染的可再生能源。太阳能因其清洁性、方便性、广泛性等优点，受到世界各国的重视。太阳能的利用方式有很多，其中太阳能光伏发电是主流。在光伏发电站中，一般采用大功率逆变器作为电能变换装置，逆变器是核心装置。由于并网逆变器在运行中会受到很多非线性因素的影响，并网电流的输出波形畸变会比较严重，这样也会严重影响到电网，因此，对光伏逆变器的控制要求很高。目前，逆变器的几种成熟控制技术有无差拍控制、重复控制、滑膜控制、电压电流双闭环控制等，电压电流双闭环控制因其鲁棒性好，算法简单易控制，系统动态响应速度较快，输出的电流波形品质较好，应用非常广泛。本文采用的是空间矢量法。

1 并网逆变器的数学模型

1.1 逆变器的工作原理

光伏发电的核心部分是逆变模块，电网对逆变器的要求很高，一方面要能稳定直流模块DC－DC与交流模块DC－AC之间的直流侧电压；另一方面要能保证逆变器侧的输出电量与电网电量同步，即在幅值、相位、频率上要严格一致，且能提供最大的输出功率，使功率因数尽可能逼近1.本文采用的逆变器是三相全桥式逆变电路，如图1所示。在直流模块DC－DC与交流模块DC－AC之间通常会设置一个容量足够大的直流滤波电容。该电容不仅能缓冲两模块之间的能量变换，而且也能在两模块间的控制上起到解耦作用。在光伏发电系统中，逆变器通常采用的是脉冲宽度调制PWM方式来实现，将直流电转变为正弦波交流电。本文逆变器中采用的是三相电压型SVPWM逆变器，选用功率器件IGBT。

图1 三相并网逆变电路

若忽略高频分量对电路的影响，则有：

其中，ia、ib、ic为电感电流矢量，ua、ub、uc为逆变器各桥臂的输出电压矢量，ea、eb、ec为电网电压矢量，L为每相滤波电感。

1.2 空间矢量的坐标变换

若三相并网逆变器的设计控制采用基于同步旋转坐标系的控制，则会十分方便。因此可以采用ABC三相静止坐标系到dq同步旋转坐标系的变换法来实现，经过坐标变换后，ABC中的基波正弦变量就转化为了dq同步旋转坐标系中的直流变量。图2为两个坐标系的转换图。定义d轴与电网电动势矢量e重合，id为有功电流，因q轴超前d轴iq，因此iq为无功电流，在初始条件下，令d轴与A轴重合。

图2 abc到dq坐标系变换

则有，ABC到dq的变换矩阵为

将上式（1）乘以M，可得到三相并网逆变器在两相同步旋转坐标系下的数学模型为

从（3）式中可以看到，控制并网逆变器的有功分量和无功分量，只需控制d轴与q轴的电流即可，这样就大大简化了系统的分析与设计。

2 并网逆变器的控制策略

2.1 电压电流双闭环控制

对光伏并网系统而言，并网的好坏在很大程度上是由控制系统的性能所决定的，因此如何设计一种合理的控制策略是必须解决的问题。一般采用的模式是电压外环电流内环的双环控制，产生的控制信号经过数字信号处理芯片DSP来完成对主电路的控制。

根据瞬时功率理论则有

p为有功功率；q为无功功率。基于电网电压定向的矢量控制结构图如图3所示。

图3 系统控制原理图

将实际检测到的电容电压udc与给定的参考电压˙udc相比较，差值经过PI调节器得到˙id，并网逆变器的输出电流经过锁相环得到电网电流值ia、ib、ic，通过abc／αβ／dq的坐标变换后，转换为同步旋转dq坐标系下的直流量id、iq，将它们分别与电流内环的参考值˙id、˙iq进行比较，通过相应的PI调节器进行调节，得到的输出信号˙ud、˙uq经过dq／αβ逆变换后，再通过空间矢量脉冲宽调制SVPWM，产生驱动信号Sa、Sb、Sc，来控制功率器件的开关和通断，从而实现了逆变器的并网。

2.2 电压外环控制

电压外环能够稳定和调节直流电压，而外环PI则实现了直流电压的无静差控制，直流侧电压外环的控制结构如图4所示。

图4 直流侧电压环控制结构

Kv、Tv为电压外环PI调节器参数。由图（4）可得电压开环传递函数为

当按典型Ⅱ型系统来设计时，可得电压环PI调节器的参数

2.3 电流内环控制

电流内环是在dq坐标系中实现的，iq电流环与id电流环是相同的，当开关频率足够高时，比例增益可近似表示其逆变桥的放大特性。当采用电网电压的前馈解耦控制时，解耦后的id电流内环控制结构如图5所示。

图5 电流内环控制结构

当按典型Ⅰ型系统来设计电流调节器时，取系统阻尼比ξ＝0.707，则有

3 SVPWM算法

变压器采用SVPWM调制时，能很好的实现对逆变器的控制，且直流电压的利用率很高，本文采用的就是SVPWM调制策略。如图6所示，将正交信号uα、uβ输入到扇区模块与基础2矢量作用时间模块中去，经扇区模块后得到Uref所在的扇区值A，再将A值输入到基础矢量作用时间模块中去，此模块是确定其作用时间t1和t2值，t1和t2经过三相时间比较模块后，可确定三相时间比较值Ta、Tb、Tc，将这三个值输入到调制模块中，与给定的载波相比较后，可生产磁链PWM脉冲波。

图6 SVPWM模块

3.1 扇区值A的确定

由逆变器的开关特性可知，逆变器在工作情况下有8种矢量分布情况，2个零矢量，其他均为基础矢量，8个矢量都分布在复平面内，将复平面分割成了六个扇形，相邻的两个矢量相差Uref，如图7所示，依据Uref的幅角θ和下面3个判断式，即可判断出该矢量处于哪个扇区。

Uα、Uβ为分别在Ud轴、Ud轴的分量；Ud为直流回路电压

图7 SVPWM电压空间矢量及扇区

3.2 矢量作用时间的确定

对于矢量作用时间的确定，可以从任一区域内两个相邻矢量作用时间来判断，假定Uref在区域Ⅰ内，根据式（9）即可算出其作用时间。

Ts为开关周期；M为逆变器三相线电压最大值与直流侧电压值之比；θ为目标矢量Uref在区域内转过的角度。同理，可以算出Uref在其他区域内的作用时间。

图8 矢量图

4 仿真验证

为了验证所述控制策略的正确性与电压电流双闭环控制的稳定性及其动态性能，利用Matlab／Simulink工具箱建立基于电网电压定向的并网逆变器的控制仿真模型，仿真参数为：滤波电感L＝5 mH，开关频率为50kHz，直流电压U＝400V，每相并网电流峰值为15A，a为三相电网电压波形，图b为三相并网电流波形，图c为A相电网电压和A相并网电流波形，其中，A相并网电流波形是放大10倍后所显示的。从仿真结果可以看出，该控制策略具有快速的动态响应，电感电流能够很好的跟踪电网电压，实现单位功率因数运行。

图9 仿真结果

5 结论

本文研究了一种基于空间矢量控制的三相并网逆变器，并建立了在d，q坐标系下的逆变器数学模型，对逆变器并网电流进行了电压电流双闭环控制，采用了电网电压的前馈控制，用以补偿电网电压变化对系统控制的影响，提高了系统的动态响应，通过仿真，验证了控制策略的可行性与有效性。

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［责任编校：张岩芳］

On Control Strategy of Photovoltaic Grid－connected Inverter based on Space Vector Transformation

DENG Ming，XI Zi－qiang，LI Kai－cheng
（School of Electrical﹠Electronic Engin.，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

This paper presents a control strategy of three－phase grid inverter based on space vector modulation.The model of the inverter was built in the two－phase rotating reference frame，the control principle was proposed based on the space vector SPWM current control，which realize the grid current active component and reactive component of the independent control，and presents a decoupled current control and feed－forward of power grid voltage control.The simulation results verify that the proposed control strategy can not only improve the quality of grid current，but also connect the grid with unity power factor.

Grid－connected inverter；Space vector SPWM；voltage feed forward control；Double－loop control

TM571

A

1003－4684（2014）01－0012－04

2013－09－26

邓 命（1987－），女，湖南岳阳人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动