并网逆变器控制策略研究
姜帅
(山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255091)
摘要：并网逆变器的控制策略是实现有效并网的关键。本文介绍了基本的调制技术与电压相位检测技术,为后续控制策略的展开打下了基础。接下来,对目前主流的几种内环控制策略进行了分析,并选择基于网侧电压定向的直接电流控制策略进行了设计。
关键词：并网逆变器控制策略调制检测技术内环控制
中图分类号：TK81文献标识码：A
在三相并网逆变器控制系统中,并网的电流必须是与电网电压同频同相的正弦波电流,另外直流侧母线电压的稳定也非常重要。并网逆变器的控制通常采用双闭环的控制方案。外环采用直流母线电压环,以控制母线电压的稳定；内环常采用的有两种控制方案,一种是电流内环闭环,另外一种是采用直接功率控制,内环的作用主要是跟踪外环输出的指令信号,如实现电流的正弦控制或者系统的有功功率无功功率的控制。内环控制动态性能的好坏对外环有着直接影响,因此控制系统的内环设计非常关键。
内环采用的两种主要控制方案中,电流内环控制技术又分为间接电流控制和直接电流控制。间接电流控制不需要采取电流信号,控制结构相对简单,但是对系统的参数很敏感,不利于滤波参数的设计,系统的动态性能较差,此种控制方式主要用在动态响应要求不高的场合。直接电流控制以实际电流采样作为反馈量,系统的动态性能很高,便于系统参数的设计,但是控制算法相对复杂。内环的另外一种控制方案是采用直接功率控制,系统的有功和无功实现了解耦控制,由瞬时无功功率理论,系统的有功分量和无功分量可以在两相静态坐标系下得到,也使坐标变换得以简化,系统的动态响应快。
除了上面两种内环控制方案外,基于虚拟磁链的内环控制技术也得到广泛关注。将并网逆变器的网侧看作一台虚拟电机,虚拟电机的定子电感和定阻对应网侧电感及等效电阻。虚拟磁链对应网侧电压的积分。虚拟磁链的控制方案不需要采取网侧电压,使系统结构简化,提高了系统因网侧电压畸变引起的扰动,不过控制算法相对繁杂。
1 PWM调制技术及电压相位检测介绍
1.1PWM调制技术
PWM控制技术被广泛应用在变频调速和各种需要变流场合,其在逆变电路中的应用最广,也正是有赖于在逆变电路中的应用,才确定了PWM技术在电力电子技术中的重要地位。本节着重介绍一下几种主要的调制技术。
PWM（Pulse Width modulation）调制技术被广泛应用在逆变器场合。主要的电压型PWM逆变器有正弦波PWM逆变器、提高直流电压利用率PWM型逆变器、消除特定谐波PWM逆变器、优化同步式PWM逆变器、跟踪型PWM逆变器、Delta逆变器。逆变器常用PWM的调制技术有SPWM、SHEPWM、CHBPWM、SVPWM。
PWM（Pulse Width modulation）称正弦波脉宽调制。其调制思想是以正弦波作为逆变
器输出的期望波形,载波是比调制波高很多的等腰三角波,调制波用频率和期望波相同的正弦波,根据调制波与载波的交点来确定开关器件的能断,进而得到一系列等幅不等宽的矩形波,依据面积等效原则,这一系列矩形波就和期望的正弦波等效。
通过软件方法生成的SPWM波主要有两种基本算法,即自然采样法和规则采样法。自然采样法所得到的SPWM波最接近正弦波,其是以正弦波为调制波,以等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断。但是由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,脉宽表达式计算繁琐,难以实时控制。规则采样法是一种较实用的工程应用方法。其原理是用三角波采样得到的阶梯波与三角波交点时刻控制开关器件通断。该法的优点是计算简单,但是其直流电压利用率低,线性控制范围比较小。
SHEPWM（Selected Harmonics Elimination）称消除指定次谐波的PWM调制方式。目的是消去PWM波形中某些主要的低次谐波,其原理是对输出的电压波形按傅里叶级数展开,将K次谐波相电压幅值表示为：
（1）
首先确定基波分量的值,然后再令要选择的几个低次谐波为零,建立方程组,求出对应的，这样就可以消去指定的几个频率的谐波,但此方法计算比较复杂,而且消除特定谐波的同时可能引入高次谐波。
CHBPWM（Current Hysteresis Band PWM）称电流滞环跟踪PWM。其原理是将每相电流反馈回来的电流与电流给定值时经滞环比较器,得到相应桥臂开关器件的开关状态,从而使电流能按指令电流进行变化。此方法动态性能好,但开关频率是一个变量,而且和滞环的宽度、直流侧电压及电感值相关,会造成较为严重的噪音。
SVPWM（Space Vector PWM）称电压空间矢量PWM,又称磁通正弦PWM波。其原理是以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的。用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通,由它们的比较结果决定逆变器的开关器件的通断,形成PWM波形。此方法生成三相波计算简便,而且开关频率要求不高,和SPWM相比较,由于输出线电压基波最大值为直流侧电压,因此逆变器的输出电压提高了15%,提高了直流电压的利用率。 1.2 电压相位检测
风力发电机发出的电能要实现安全并网必须要求并网电流与电网电压的相位和频率一致,因此就必须对电网电压时行检测。除电网正常运行下必须要检测出电压相位和频率外,在电网电压波形发生畸变和可能出现的三相电网电压不平衡的情况下,也要求正确的检测出电网电压信号的相位和频率。对电网电压相位和频率进行检测通常采用锁相环,其主要就是为了实现对电网a相电压基波正序的频率和相位的跟踪,进而产生等间隔的N倍于电网电压频率的离散信号。
锁相环的实现方法一般分硬件锁相和软件锁相两类,本节主要介绍几种软件锁相的 方案。分别基于波形过零检测的锁相环和基于矢量坐标变换的锁相方法。
所谓过零检测就是检测电网电压的过零点,然后将输出电压转换为方波,进而得到电压的相位信息。过零检测的方法又分单相过零检测和三相过零检测。单相过零检测的方法是在一个工频周期内,检测出电网a相电压的相位。由于每个周期只能检测两个过零点,此种方案的动态效果比较差。相比之下,三相过零检测每个工频周期内可以检测到6次过零点,动态效果有所改善。但上述两种方法当网侧电压含谐波及三相不平衡的情况下,在基波零点附近可能有多个过零点,进而影响锁相的精度。图3-1所示为基于α-β变换的同步相位检测原理框图。
图1基于α-β变换的同步相位检测原理图
首先通过采样得到三相电网电压,再利用α-β坐标变换将电压转换到岁坐标下,将得到的量给过滤波,利用图中的关系式即可求得a相电网电压任意时刻的相位。此方法由于引入了滤波环节,虽然滤除了谐波电压的影响,但检测受到三相不平衡的影响,同时存在一定的相位偏移,可以通过相位补偿来实现。图3-2为基于d-q变换的同步相位检测原理图。
图2基于d-q变换的同步相位原理图
采样得到的电压信号经过d-q坐标变换得到
中的直流分量对应电网电压基波
正序分量,交流分量对应负序分量和谐波分量。通过设计合适的滤波器可以滤掉因三相不平衡所引入的负序分量和谐波分量,由于交流成分频率较低,所需滤波器就会影响检测系统的动态性能降低。
2并网逆变器电流控制策略
并网逆变器控制系统中,电流内环一般采用的控制技术有间接电流控制和直接电流控制两大类。其中间接电流控制以幅相控制为代表。直接电流控制有滞环电流控制、空间电压矢量电流控制等。两种控制方案相比较,直接电流控制动态响应速度快,但是控制算法复杂,间接电流控制不需要电流反馈、结构简单,但其控制性能不高。下面对两种方案进行具体描述。 2.1 间接电流控制策略
并网逆变器间接电流控制技术不需要采样电流信号,主要是根据三相交流侧基波电压电流之间的关系得到控制算法。此方法通过控制交流侧电压实现对电流的控制,因此称作电流间接控制,此种控制技术对系统的参数比较敏感,理论上,当电网电压三相平衡时可实现直流电压的无静差控制,但实际系统是存在谐波的,因此会有控制偏差的存在。针对其对参数敏感的不足,在设计时,用矢量表达式对电流、电压的动态关系进行描述,进而进行控制,以提高起对系统的动态响应。
2.2 直接电流控制策略
直接电流控制的原理是通过采样的电流信号形成闭环进而实现对电流的控制。由于引入了电流闭环,控制系统的动态响应快速。本节侧重从电压定向的角度对基于前馈解耦的控制策略进行论述。
依据上一章节的介绍可知并网逆变器在d、q坐标下的数学模型表达式为：
（2）
从上式可知,并网逆变器d、q两相电流之间存在强耦合，这给控制器设计增加了难度。将上式整理如下：
（3）
在此电流环采用PI调节器可以得到下式
（4）
式中,
和
分别为电流内环比例调节增益和积分调节增益,
和
分别为电流指令值。
将式（4）带入式（3）,并进行简化,可以得到并网逆变器在d、q坐标上的表达式如下：
（5）
式（5）表明并网逆变器已经实现了电流内环的解耦控制,这样便于控制系统的设计。其
解耦控制框图如图3所示：
图3 电流前馈解耦算法框图
解耦得到的控制量和再经过坐标变换到两相静止坐标系下,再通过SVPWM调制算法,进而求得相应功率器件的脉冲宽度,这样就实现了电流的闭环控制。
3 并网逆变器的直接功率控制策略
并网逆变器的直接功率控制和电机调速中的直接转矩控制类似,此控制方案实现了网侧有功和无功的解祸控制,根据瞬时无功功率理论,有功和无功的计算只要在两相静态坐标下就能实现,因此简化了计算过程,动态响应速度快。
根据瞬时无功功率理论,网侧有功分量和无功分量可表示如下：
（6）
直接功率控制框图如图4所示。
图4 直接功率控制框图
电压外环采用PI调节器,功率内环也采用PI调节器,电压外环的输出作为有功功率的指令信号,无功功率指令由外部直接给定。内环的输出作为SVPWM调制信号的输入,然后经过SVPWM调制最终得到功率管的开关状态。
4 并网逆变器基于虚拟链条的控制策略
基于虚拟磁链的控制策略是建立在将网侧电感、等效电阻等效为电机的基本上的。此方案省去了网侧电压传感器,定义磁链为网侧电压的积分。图5为基于虚拟磁链定向的α-β、d-q坐标相量图。
图5 基于虚拟链条定向的、d-q坐标向量图
依据虚拟磁链定向的α-β、d-q坐标相量图,下面推导基于虚拟磁链的定向方法,在α-β坐标下,有正式成立：