三相并網(wǎng)逆變器無差拍解耦控制方法

摘要：針對傳統(tǒng)無差拍控制無法實現(xiàn)有功功率與無功功率解耦控制的問題，在分析無差拍控制原理的基礎(chǔ)上，提出一種新的無差拍控制策略，給出了無差拍控制策略占空比的計算方法。該控制策略將三相系統(tǒng)在d，q坐標系下的解耦特性與a，b，c坐標系下的無差拍控制算法有機地結(jié)合在一起，不僅實現(xiàn)了有功功率與無功功率的解耦控制，同時還具有控制簡單、控制精度高和動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點。最后，通過Matlab／Simulink仿真和實驗驗證了該方案的正確性和有效性。
關(guān)鍵詞：逆變器；無差拍控制；解耦控制

1 引言
      近年來，隨著全球范圍內(nèi)能源緊缺和環(huán)境污染問題的日益突出，開發(fā)和利用可再生能源受到世界各國的廣泛關(guān)注。并網(wǎng)逆變器作為發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的接口設(shè)備之一，其控制技術(shù)一直是研究的熱點。無差拍控制是一種數(shù)字化PWM控制方法，在數(shù)字控制技術(shù)不斷發(fā)展的今天，數(shù)字化PWM控制方式具有更加廣闊的應(yīng)用前景。無差拍控制具有良好的動態(tài)響應(yīng)，并可使輸出電流快速、準確地跟蹤參考電流。故將其應(yīng)用到三相并網(wǎng)逆變器中，可提高逆變器的抗干擾能力。

2 三相并網(wǎng)逆變器無差拍解耦控制
2．1 三相并網(wǎng)逆變器無差拍控制原理
     無差拍控制的基本原理是在每一個開關(guān)周期開始時刻，采樣并網(wǎng)逆變器輸出電流i，并預(yù)測出下一周期開始時刻逆變器并網(wǎng)側(cè)電流的給定值i*，由差值i-i*計算出開關(guān)器件的開關(guān)時間，使i在下一周期開始時刻等于i*。此方法雖計算量較大，但其開關(guān)頻率固定，具有快速的動態(tài)響應(yīng)。
三相并網(wǎng)逆變器原理圖如圖1所示，圖中Udc為直流側(cè)電壓；ea，eb，ec，ia，ib，ic分別為三相電網(wǎng)電壓及輸出電流的瞬時值；L為濾波電感。

如圖1所示，根據(jù)三相對稱系統(tǒng)基爾霍夫電壓定律，回路電壓方程為：


設(shè)控制周期為T，將回路電壓方程離散化，同時設(shè)電流參考值為，逆變器三相開關(guān)占空比分別為△du，△dv和△dw。由于T遠小于電網(wǎng)基波周期，則在一個T內(nèi)，可忽略三相電網(wǎng)電壓和直流母線電壓的變化。若認為在一個T內(nèi)實現(xiàn)了各相電流對其參考值的無差跟蹤，則得到一個T內(nèi)的回路電壓方程為：

以上3個電壓環(huán)路彼此并不獨立，相當于只有兩個獨立方程。由于逆變器上、下橋臂的導通在一個T內(nèi)對等，則可得三相逆變器上橋臂3個開關(guān)器件的總導通時間與下橋臂3個開關(guān)器件的總導通時間在一個T內(nèi)相等，即得到：
△du+△dv+△dw=1．5 (5)
聯(lián)立式(4)，(5)可求解得三相逆變橋的PWM信號的占空比為：

通過式(6)求得的△du，△dv，△dw控制逆變器的開關(guān)器件，得到所需要的逆變器輸出波形，從而實現(xiàn)逆變器的無差拍控制。
2．2 三相并網(wǎng)逆變器功率解耦控制策略
根據(jù)瞬時功率理論，在d，q同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的有功功率和無功功率可表示為：
P=3(edid+eqiq)／2，Q=3(eqid-ediq)／2 (7)
當d軸以電網(wǎng)電壓矢量定位時，即eq=0，則上式可寫為：
P=3edid／2，Q=-3ediq／2 (8)
由式(8)可知，id，iq分別與P，Q成線性比例關(guān)系，調(diào)節(jié)id，iq就可分別獨立地控制三相并網(wǎng)逆變器的P和Q，實現(xiàn)P和Q的解耦控制。三相并網(wǎng)逆變器無差拍解耦控制框圖如圖2所示。

3 仿真研究
     為驗證這里電流無差拍解耦控制策略的正確性，在Matlab／Simulink的仿真平臺中搭建了三相并網(wǎng)逆變器的仿真模型。參數(shù)為：直流母線電壓500 V，電網(wǎng)相電壓有效值220 V，電網(wǎng)電壓頻率50 Hz，變壓器為升壓型隔離變壓器，三相濾波電感12 mH，交流側(cè)總電阻0．01 Ω，開關(guān)頻率9 kHz。
條件1 開始時刻，給定有功功率Pref=2 kW，給定無功功率Qref=0，在0．2 s時，Pref=10 kW，Qref=0。圖3a為Pref突變時a相電壓、電流仿真波形。

條件2 開始時刻，Pref=10 kW，Qref=0，在0．2 s時，Pref=10 kW，Qref突變?yōu)? kvar。圖3b為Qref突變時a相電壓、電流仿真波形。
由圖可見，無差拍解耦控制不僅能實現(xiàn)P，Q的解耦控制，同時還具有快速的動態(tài)響應(yīng)。

4 實驗結(jié)果
對所提出的無差拍解耦控制進行實驗驗證。實驗參數(shù)為：直流母線電壓500 V，電網(wǎng)相電壓有效值220 V。變壓器為升壓型隔離變壓器，IGBT開關(guān)頻率為9 kHz，死區(qū)時間為2μs，交流側(cè)濾波電感為12 mH。逆變器主控芯片為TMS320F28335，CPU時鐘頻率為150 MHz。該芯片是一種浮點芯片，與以前定點DSP相比，具有成本低，精度高，功耗小，A／D轉(zhuǎn)換更精確、快速等特點。圖4a為逆變器單位功率因數(shù)運行時實驗波形，圖4b為逆變器進行無功補償時實驗波形。實驗結(jié)果表明，無差拍解耦控制能快速準確地跟蹤電網(wǎng)電壓，并網(wǎng)電流波形良好，不僅能運行于單位功率因數(shù)，而且還能對電網(wǎng)進行無功補償。

5 結(jié)論
針對三相并網(wǎng)逆變器的特點，提出了一種新型無差拍控制策略。仿真和實驗結(jié)果表明，這里提出的無差拍解耦控制策略計算簡單，易于實現(xiàn)，控制精度高，具有良好的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)特性。不僅可以滿足向電網(wǎng)輸入高功率因數(shù)、高質(zhì)量電能的要求，而且還可以對電網(wǎng)進行無功補償。在太陽能發(fā)電、風力發(fā)電等可再生能源發(fā)電過程中具有較高的應(yīng)用價值。