實(shí)時(shí)電流跟蹤型并網(wǎng)逆變器諧波抑制方法

王湘明，周 翔，胡維哲，董磊書(shū)

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)a.信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110178；b.自控技術(shù)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110027；2.遼陽(yáng)供電公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000）

并網(wǎng)逆變器常采用三相電壓型橋式逆變電路，但其控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，并且直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能.針對(duì)逆變器網(wǎng)側(cè)電流的控制性能對(duì)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣起到?jīng)Q定性作用這一特性，文獻(xiàn)［1］提出了一種對(duì)三相并網(wǎng)逆變器的輸出電流進(jìn)行滯環(huán)控制的策略，這種控制方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快.文獻(xiàn)［2］提出了一種并網(wǎng)逆變器正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）控制策略，采用此控制策略和后級(jí)LC濾波電路可以獲得較好的正弦波電壓輸出，但其直流電壓利用率低.文獻(xiàn)［3-5］從并網(wǎng)逆變器的控制策略應(yīng)用現(xiàn)狀考慮，對(duì)并網(wǎng)逆變器空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制技術(shù)進(jìn)行了研究，得出其開(kāi)關(guān)頻率固定、具有更低的高次諧波和電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn).針對(duì)復(fù)雜的負(fù)載類(lèi)型，研究人員已經(jīng)提出了一些解決方案，例如文獻(xiàn)［6］提出了一種帶非線性負(fù)載的逆變器控制方案，該方法在一定程度上解決了未接入電網(wǎng)時(shí)的諧波抑制問(wèn)題.本文在前人研究的基礎(chǔ)上，將空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)應(yīng)用在帶非線性負(fù)載的并網(wǎng)逆變器中，提出了一種并網(wǎng)逆變器的實(shí)時(shí)電流跟蹤控制方法，并著重介紹了逆變系統(tǒng)的實(shí)時(shí)電流跟蹤控制原理、策略及其仿真實(shí)現(xiàn).

1 實(shí)時(shí)電流跟蹤方法

在傳統(tǒng)的逆變器并網(wǎng)中［3-5］，大多近似理解為公共連接點(diǎn)在距各種負(fù)載遠(yuǎn)端，可以理解為近似不帶負(fù)載.在這樣的并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)中，控制策略包含兩個(gè)關(guān)鍵部分，即控制逆變器輸出和控制直流側(cè)電壓恒定，其中，直流側(cè)電壓的恒定控制以基于最大功率跟蹤（MPPT）策略最為流行.在直接電流控制中，一路電流的參考信號(hào)由MPPT算法給定，另一路參考信號(hào)近似給定為0.為了消除電流的穩(wěn)態(tài)誤差，必須進(jìn)行解耦控制，不可避免地要對(duì)電網(wǎng)電壓鎖相.而實(shí)際情況并非如此理想，如周波變流器和電機(jī)變速驅(qū)動(dòng)裝置等已知和未知的諧波源負(fù)載有很多，這是逆變器并網(wǎng)必須面對(duì)的問(wèn)題.

圖1為三相并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并網(wǎng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換后并入電網(wǎng).拓?fù)洳捎萌嗳珮蚴侥孀冸娐?，逆變橋輸出?jīng)過(guò)濾波電感、電容連接到電網(wǎng)上，電網(wǎng)同時(shí)連接到由二極管整流橋構(gòu)成的非線性負(fù)載上，此非線性負(fù)載的電流包括基波部分和高次諧波電流部分.

如圖1所示的逆變器主電路微分方程可以描述為

將給定的abc軸系經(jīng)CLARK變換到αβ直角坐標(biāo)系下，則式（1）為

式（2）經(jīng)過(guò)PARK變換，變換到以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系：

考慮電網(wǎng)側(cè)擾動(dòng)和低次諧波干擾的影響，用下角標(biāo)n代表額定值，式（3）可以表示為

式（4）中由于含有微分算法，且指令電流變化很快，直接求取難度較大.實(shí)際應(yīng)用中，由于采樣時(shí)間很短，可用差分方程代替微分算法，在采樣時(shí)刻k，對(duì)dq旋轉(zhuǎn)軸系電流進(jìn)行離散化，則

由拉格朗日二次插值公式，式（6）中的hdq（tk）可以表述為

從而可以得到式（6）中的idq（tk），其中（tk＋1）為參考電流.

圖1 并網(wǎng)逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Main circuit topology of grid-connected inverter

實(shí)時(shí)電流跟蹤控制方法的基本原理是：經(jīng)諧波估計(jì)模塊計(jì)算得到的電網(wǎng)側(cè)諧波電流經(jīng)過(guò)相應(yīng)運(yùn)算作為參考電流，與逆變器輸出電流比較后得到電流參考控制信號(hào).電流信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)常規(guī)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得到電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)與參考電壓信號(hào)進(jìn)行交截，得到空間矢量脈寬調(diào)制信號(hào)控制功率器件的導(dǎo)通與關(guān)斷.實(shí)時(shí)電流跟蹤控制策略采用雙環(huán)控制：外環(huán)為輸出電壓實(shí)時(shí)反饋控制，內(nèi)環(huán)為輸出電流實(shí)時(shí)反饋控制.

在實(shí)時(shí)電流跟蹤控制方案中，并網(wǎng)逆變系統(tǒng)從畸變的電流中檢測(cè)出基波電流，并且補(bǔ)償諧波和無(wú)功部分的電流.并網(wǎng)逆變系統(tǒng)通過(guò)采用實(shí)時(shí)電流跟蹤控制方式控制逆變器IGBT，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變橋輸出提供全部的無(wú)功功率和諧波功率來(lái)控制電網(wǎng)側(cè)電流，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)目標(biāo).電網(wǎng)側(cè)電流is（t）和電網(wǎng)電壓同相，而且是正弦的，并網(wǎng)逆變器提供的補(bǔ)償電流為ic（t）＝is（t）-iL（t）.通過(guò)控制逆變橋IGBT的通斷，調(diào)節(jié)dq軸電流，可以保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，并且可以控制流向電網(wǎng)的無(wú)功功率.

2 并網(wǎng)逆變器實(shí)時(shí)電流跟蹤諧波抑制方法的實(shí)現(xiàn)

本文提出的基于諧波電流PI控制器和功率控制器的并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)原理如圖2所示.與傳統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)相比，電流環(huán)和電壓環(huán)的雙環(huán)控制沒(méi)有改變，在結(jié)構(gòu)上看只是增加了可變的非線性負(fù)載，而且是用一個(gè)PI控制器代替坐標(biāo)變換后的有功電流分量控制，用一個(gè)PI控制器代替無(wú)功電流分量控制.電壓環(huán)控制的目的是使逆變器按給定參考功率工作，兩電壓的差值不是直接作為最終相位，而是經(jīng)過(guò)G（s）環(huán)節(jié)后再輸出，最終實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)及低諧波電流控制.

圖2 改進(jìn)的并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of improved grid-connected inverter control system

帶非線性負(fù)載情況下諧波估計(jì)是采用一種改進(jìn)的瞬時(shí)功率理論［7］，其關(guān)鍵部分是鎖相環(huán)（PLL）電路，該P(yáng)LL電路除了能實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)電壓的基波頻率外，還能在畸變和不對(duì)稱(chēng)電壓波形下正常工作.文獻(xiàn)［8］采用了一種新型數(shù)字PLL電路設(shè)計(jì)，這種PLL電路對(duì)電壓波形畸變和不對(duì)稱(chēng)幾乎不敏感.為了消除電網(wǎng)電壓帶來(lái)的一定幅值的擾動(dòng)，通過(guò)采用文獻(xiàn)［9］中提出的功率計(jì)算模塊得到的參考電壓進(jìn)行前饋控制，削減閉環(huán)的負(fù)擔(dān)，從而進(jìn)一步保證良好的波形.控制諧波電流時(shí)，采用兩個(gè)PI控制器相結(jié)合，這是因?yàn)閷?shí)際情況中負(fù)載可能發(fā)生變化，單個(gè)PI控制器難以滿足控制要求.

本文提出的實(shí)時(shí)電流跟蹤控制技術(shù)直接控制輸出電流，使之在預(yù)設(shè)波形附近變化，其中可以把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形磁場(chǎng)來(lái)控制逆變器的工作.SVPWM控制策略是在一個(gè)設(shè)定的采樣周期內(nèi)，根據(jù)參考電壓矢量所在的區(qū)間位置，選擇與之相鄰的兩個(gè)基本電壓空間矢量（±60°的電壓矢量）以及零電壓矢量U0來(lái)合成參考電壓空間矢量.其原理如圖3所示，U0，U4，U6均為電壓矢量.

圖3 電壓矢量Uref的合成原理Fig.3 Synthesis principle of the voltage vector Uref

3 仿真模型建立

依托沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)自控技術(shù)研究所全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)，利用Matlab／Simulink仿真平臺(tái)，對(duì)所提出的策略進(jìn)行仿真分析.并網(wǎng)逆變器仿真模型如圖4所示.

圖4 并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simulation model of grid-connected inverter control system

逆變器仿真參數(shù)如下：直流側(cè)電壓為400V；直流側(cè)電感為500μH；總線并聯(lián)電容為400μF；電網(wǎng)額定電壓為380V；系統(tǒng)頻率為工頻50Hz；電源內(nèi)部參數(shù)Rs，Ls分別為0.8Ω，0.01μH；負(fù)載線路電感為500μH；d軸PI控制器參數(shù)KP＝0.08，KI＝19；q軸PI控制器參數(shù) KP＝6，KI＝51；功率開(kāi)關(guān)器件是反并聯(lián)續(xù)流二極管的IGBT.

仿真過(guò)程中，直流側(cè)電源采用全釩液流儲(chǔ)能電池模型，經(jīng)Boost升壓后輸出恒定電壓.逆變器輸出端掛接到三相電網(wǎng)上，同時(shí)帶有三相非線性整流橋負(fù)載.仿真時(shí)間為0.5s，0.05s時(shí)，準(zhǔn)確檢測(cè)到諧波波形.

4 仿真結(jié)果分析

4.1 諧波電流檢測(cè)與分析

仿真參數(shù)如下：非線性整流橋負(fù)載內(nèi)阻為11.2Ω；電感為20μH.圖5a為負(fù)載側(cè)三相電流波形，受負(fù)載帶來(lái)的諧波影響，發(fā)生畸變；圖5b為上述負(fù)載情況下檢測(cè)到的諧波波形.由圖5可以看出，采用此策略后，可以檢測(cè)到網(wǎng)側(cè)受非線性整流橋負(fù)載影響時(shí)波形情況和負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流波形.

圖5 諧波電流檢測(cè)波形Fig.5 Harmonic current detection waveform

仍采用不可控整流橋非線性負(fù)載，負(fù)載變大時(shí)，仿真參數(shù)如下：整流橋負(fù)載內(nèi)阻為6.73Ω；電感為7.832μH；此時(shí)的負(fù)載側(cè)電流波形如圖6a所示，與圖5a所示相比，幅值有所減小.此負(fù)載情況下諧波幅值如圖6b所示，幅值有所減小，畸變程度有微小增大.由圖6可以看出，采用此策略后，在同種非線性整流橋負(fù)載增大情況下，同樣可以檢測(cè)到網(wǎng)側(cè)受負(fù)載影響的波形情況和此種負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流波形.

圖6 非線性負(fù)載增大時(shí)諧波檢測(cè)波形Fig.6 Harmonic detection waveform with lager nonlinear load

4.2 諧波抑制結(jié)果分析

非線性整流橋負(fù)載仿真參數(shù)如下：內(nèi)阻為11.2Ω；電感為20μH；網(wǎng)側(cè)電壓和電流功率因數(shù)校正結(jié)果見(jiàn)圖7a，電流和電壓相位相同，電壓幅值小于電壓.此時(shí)，對(duì)并網(wǎng)逆變器網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）分析，得到如圖7b所示的抑制諧波之后的網(wǎng)側(cè)電流階次，總諧波畸變度（THD%）為2.93%.

由圖7可以看出，采用此策略后，對(duì)此種非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波及其對(duì)電網(wǎng)的影響可以得到有效抑制，可以實(shí)現(xiàn)有功功率的傳送，功率因數(shù)滿足要求.

當(dāng)非線性負(fù)載仿真參數(shù)為內(nèi)阻6.73Ω，電感7.832μH，負(fù)載側(cè)含有除3的倍數(shù)外的奇數(shù)次時(shí)，諧波如圖8a所示，總諧波畸變度（THD%）為30.64%.此時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓和電流同相位，電流波形為正弦.網(wǎng)側(cè)電流快速傅里葉變換（FFT）分析結(jié)果如圖8b所示，總諧波畸變度（THD%）為4.18%，階次仍為不含3及其倍數(shù)的奇數(shù)次，較負(fù)載未變化前增加了1.25%.

圖7 三相電壓和三相電流功率因數(shù)校正Fig.7 Power factor correction for three-phase voltage and current

圖8 諧波快速傅里葉變換（FFT）分析結(jié)果Fig.8 Harmonics Fast Fourier Transform （ FFT）analysis results

由圖8可以看出，對(duì)同種非線性不可控整流橋負(fù)載，當(dāng)負(fù)載有所增大時(shí)，實(shí)時(shí)電流跟蹤方法同樣可以有效地實(shí)現(xiàn)諧波抑制，電網(wǎng)側(cè)電流的總諧波畸變度（THD%）小于5%，滿足 American National Standard（ANSI）IEEE Std 519-1992要求［10］.

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種改進(jìn)的基于實(shí)時(shí)電流跟蹤的帶非線性負(fù)載的并網(wǎng)逆變器空間矢量脈寬調(diào)制控制策略，此方法利用諧波參與控制，采用兩個(gè)PI控制器，通過(guò)利用功率計(jì)算得到的電壓矢量進(jìn)行控制.此方法原理簡(jiǎn)單，而且結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)容易，實(shí)時(shí)跟蹤效果好，魯棒性較強(qiáng).從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)帶有大小不等的同種非線性不可控整流橋負(fù)載時(shí)，運(yùn)用此控制策略均可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)諧波的抑制，得到良好的電流控制波形，達(dá)到有效并網(wǎng)的目的.

［1］ 易靈芝，彭寒梅，王根平，等.基于空間矢量的三相光伏并網(wǎng)逆變器解耦控制研究［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2010，31（1）：72-78.

［2］ 袁建華，高厚磊，高峰，等.兩級(jí)三相并網(wǎng)逆變器直流鏈電壓間接控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（23）：82-86.

［3］ 李勛，朱鵬程，楊蔭福，等.基于雙環(huán)控制的三相SVPWM逆變器研究［J］.電力電子技術(shù)，2003，37（5）：30-32.

［4］ Lee K J，Park B G，Kim R Y.Robust predictive current controller based on a disturbance estimator in a threephase grid-connected Inverter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（1）：276-283.

［5］ Dou W，Xu Z G，Peng Y C，et al.Current controller optimum design for three-phase photovoltaic gridconnected inverter ［J］.IEEE Transactions of China Electrotechnical Society，2010，25（8）：85-90.

［6］ Junbum K，Sunjae Y，Sewan C.Indirect current control for seamless transfer of three-phase utility interactive inverters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（2）：773-781.

［7］ Akagi H，Watanabe E H，Aredes M.Instantaneous power theory and applications to power conditioning［M］.New Jersey：IEEE Press on Power Engineering，2007：75-225.

［8］ 侯世英，張?jiān)?新型數(shù)字鎖相環(huán)在三相電壓型SVPWM整流器中的應(yīng)用［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，37（5）：48-51.

［9］ 方宇，裘迅，邢巖，等.基于預(yù)測(cè)電流控制的三相高功率因數(shù)PWM整流器研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（20）：69-73.

［10］ The static power converter committee，The transmission and distribution committee.IEEE Std 519-1992IEEE recommended practices and requirements for harmonic control in electrical power systems［S］.New York：The Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc.，1993.