三相光伏并网逆变器的控制算法

郭迎辉，封淑亭

(1.保定供电公司，河北 保定 071051;2.石家庄供电公司，河北 石家庄 050051)

1 引言

太阳能光伏发电是新能源的重要组成部分，被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术。在日本福岛核泄漏事故发生后，不仅日本国民对核电站失去了过去的那份信赖感，同时也引起了全世界人民对核电的信赖。2011年7月24日，国家发改委光伏基准电价的发布必将推动光伏产业在中国的蓬勃发展。

光伏逆变器是连接光伏系统和电网的核心部件，逆变技术是光伏发电并网的关键技术，直接影响着光伏发电系统的性能。三相光伏并网系统是光伏并网最常用的结构形式，文中针对三相光伏并网逆变器的控制策略进行了深入研究［1，2］。

2 三相光伏逆变器拓扑结构及dq模型

为讨论方便，本文讨论的光伏并网逆变器控制策略不涉及有关MPPT的控制，而只研究其中并网逆变器的变流控制策略。

图1中，Ua、Ub、Uc为逆变器交流侧输出电压;ia、ib、ic为逆变器并网输出电流;ea、eb、ec为电网电压，为公共交流电网(220V/50Hz);L为逆变器输出滤波电感;R为滤波电感L上的等效电阻。

图1 三相并网逆变器主电路图

在三相静止abc坐标系下，并网逆变器的电压方程为:

可以通过坐标变换将三相对称静止坐标系abc转换成以电网基波频率同步旋转的d、q坐标系，由于三相基波正弦输出电流在正向同步旋转坐标系下能够转换为直流量，便于控制，简化了控制系统的设计［3，4］。

将式(1)进行相应的数学变换可得:

将式(2)表达为模型，如图2所示。

图2 系统在同步旋转坐标系下的模型

由式(2)和图2可以看出，在d、q坐标系中，并网逆变器的数学模型在d、q轴间存在耦合。为了实现d、q轴间的解耦控制，通常可以采用较为简单的前馈解耦控制。在并网逆变器输出电压中分别引入前馈量+ωLid和－ ωLiq，使其与模型中的耦合项－ ωLid和+ωLiq相互抵消，从而实现了d、q轴间的解耦。解耦后的系统模型转换为相互独立且完全对等的两部分。这种解耦控制简单且不影响系统稳定性。

3 基于电网电压定向的矢量控制

电压定向控制策略具有开关频率固定利于网侧滤波电感设计、便于与PWM策略相结合改善波形质量、对采样频率要求不高、静动态性能良好等优点，是目前应用较为成熟的控制策略［5－8］。

若同步旋转坐标系与电网电压矢量E同步旋转，且同步旋转坐标系的d轴与电网电压矢量E重合，则称该同步旋转坐标系为基于电网电压矢量定向的同步旋转坐标系。

图3 基于电网电压定向的矢量控制(VOC)系统矢量图

显然，在电网电压定向的同步旋转坐标系中，有ed=|E|，eq=0。

根据瞬时功率理论，系统的瞬时有功功率p、无功功率q分别为:

由于eq=0，式(3)可以简化为

若不考虑电网电压的波动，即ed为一定值，所以逆变器的瞬时有功功率和无功功率仅与并网逆变器的输出电流的 d、q轴分量 id、iq成正比，因此通过 id、iq的控制就可以分别控制并网逆变器的有功、无功功率。

在图1所示的逆变器中，直流侧输入有功功率的瞬时值为p=idcudc，若不考虑逆变器的损耗，并网逆变器的直流侧电压udc与并网逆变器输出电流的d轴分量id成正比，而p又与id成正比，因此，并网逆变器直流侧电压udc的控制可以通过id的控制来实现。

式(2)可以改写为:

由式(5)可见，对d、q轴电流分别进行PI调节，分别加上电网电网的d、q轴分别，并分别加上交叉耦合项－ωLiq和ωLid，便得到逆变器输出d、q轴电压控制量ud和uq，再将其通过dq0－abc变换，得到并网逆变器输出电压控制量Ua、Ub、Uc，送入脉宽调制电路，从而产生PWM触发脉冲，控制PWM逆变器功率器件的通断，进而实现电能传输。

基于电网电压定向的并网逆变器控制结构如图4所示。

图4 同步旋转坐标系下电压定向控制框图

直流电压控制的输出为d轴电流的参考值i*d，调节该电流值能够实现有功功率的调节。在本文中，无功电流的参考值是由外部给定的，为了实现单位功率因数控制，可令无功功率为零。

4 结束语

并网光伏逆变器是连接逆变器与电网的重要部分，并网控制策略尤为重要。三相光伏并网系统是光伏并网最常用的结构形式，文中针对三相光伏并网逆变器的控制策略进行了深入研究。控制结构采用同步旋转坐标系下的基于PI控制，采用电压外环和电流内环双闭环控制，实现有功功率与无功功率解耦控制。

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