电网模拟器控制策略研究

付永新，Dip.-Ing Ziqian Zhang，Bsc ，张永明，张仁杰

（1.上海理工大学，上海200093；2.Graz University of Technology Institute of Electrical Power Systems Inffeldgasse 18／1，8010 Graz；3.上海市质量监督检验技术研究院，上海200090）

0 引 言

电网模拟器是指能够模拟电压三相不平衡、频率偏移、谐波畸变、电压幅值平衡跌落和不平衡跌落等故障的检测电气设备，在分布式发电并网的系统中，研究这些电网故障是非常重要的。然而在现有的与逆变器有关的产品中，实现上述故障特性的还不多。因为电网模拟器是检测其他分布式发电系统的电气设备，意味着电网模拟器本身特性要非常优越，才能作为考核其他分布式发电系统的标准，这就对电网模拟器本身的控制策略设计提出了很高的要求。

大多数逆变器都是基于三相半桥控制策略的研究，这类控制策略缺点在于不能够方便实现三相电压的不平衡，文章提出三相独立的主电路拓扑结构，在控制策略的设计上可以实现每一相的单独控制，能够克服三相半桥控制策略的缺点。在单相逆变器的研究方面，现阶段比较好的控制策略是电压瞬时值外环电流瞬时值内环控制方式。然而为了能更准确控制输出电压，大部分电流内环采用电容电流闭环的控制方式。虽然采用电容电流反馈控制时，输出电容电压因为电容电流的微分作用能够提前得到矫正，对线性负载或者非线性负载都有很好的动态抑制作用。因为在控制策略中加入电流的限幅环节，只能够限制电容电流，负载电流不受它的约束，当采用数字控制时不能够对负载实现限流保护。如果采用电容电流，因为电容电流比较小，对于DSP控制来说，误差比较大，ADC的误差、计算的误差等，所以我们还是采用电感电流和负载电流。为了克服上述控制策略的缺点，本文提出了电感电流瞬时反馈控制和负载扰动前馈补偿相结合的控制方式。

通过仿真测试结果可以看出该种控制策略设计是符合电网模拟器输出的动态与稳态性能指标，并研制了一台5 k W逆变器样机，实验结果也验证了此控制方案的可行性。

1 三相拓扑结构

本文电路采用较新颖的拓扑结构，如图1所示，该拓扑结构的基波单元与谐波单元的三相公用一个三相整流单元。由变压器组成的基波谐波连接单元避免三相公用一个整流装置的直流侧的短路现象，这是因为变压器不仅起到基波谐波连接作用还可以起到隔离的作用。

图1 电网模拟器三相拓扑图

基波谐波整流环节都采用三相PWM整流器产生各自需要的直流电压。采用三个单相逆变器实现三相交流电压的输出，控制三相的波形相位依次相差120°，并控制其实现电网的各种故障。滤波器采用LC滤波电路，对逆变器输出的PWM滤波，得到交流电压。

2 单相全桥逆变器的数学模型

图2是单相全桥逆变电路，其中VT1、VT2、VT3、VT4是IGBT，Ud是直流母线电压，L、C是组成滤波器的电感、电容，iL是电感电流，iC是电容电流，io是输出电流，u1是逆变桥输出电压，uo是整个逆变器输出电压，r是考虑了死区效应、IGBT导通压降、滤波电感的等效串联电阻、线路电阻等逆变器中各种阻尼因素组成的综合等效电阻。

图2 单相全桥逆变电路

把输出电压u0与电感电流iL作为单相逆变器控制系统的状态变量，由上图可以得到该系统的状态空间表达式如下：

从状态空间表达式可以看出该系统是一个双输入、单输出的二阶系统。

3 滤波器设计

SPWM调制下输出滤波电感值一般由电感电流的最大纹波所决定，一般取满功率时输出正弦电流峰值的15%，该单相逆变器要求输出额定功率为5 k W／3≈1 667 W，因为基波模式要求输出电压幅值比谐波输出幅值高的多，为了方便，取基波模式下输出电压幅值的1／10左右，故

根据文献［5］得：

实际电路可以取电感值为5 mH。

电路中电感与电容构成一个低通滤波器，所以，电容的值可以根据滤波器的截止频率来确定。因为该系统应用的是SPWM倍频调制方式，输出的谐波频率为开关频率2倍以及更高次的，一般取截止频率为输出谐波最小频率的1／10，即

可得

在实际电路中，由于器件本身的非理想特性、基准波也非标准的正弦波以及死区对输出的影响，所以在输出的波形中包含低次的谐波，C值必须取大一些，来抑制这些低次谐波，这里不妨取20μF。

4 逆变器电压电流双环控制策略分析

逆变器的双环控制分两类：一类是以滤波电容电流为内环被控量的电容电流内环电压外环控制，一类是以滤波电感电流为内环被控量的电感电流内环电压外环控制。

在电压源逆变器中，以滤波电容电流作为内环反馈的应用也比较广泛，这种控制方法因电容电流被瞬时控制，使得输出电容电压被电容电流的微分作用提前得到矫正，因而无论对线性还是非线性负载均有很好的动态抑制作用。但其缺点是采用数字控制时无法做到逆变器的软件限流保护：因为如果在电容电流内环电压外环控制系统中增加电流限幅环节，只能限制电容电流大小，负载电流和电感电流完全不受其约束，因而不能通过限流实施对逆变电源的保护。所以本文采用滤波电感电流为内环的双环控制方法，经研究，电压外环比例积分电流内环比例积分（PIPI）控制方式在各个方面的性能指标比电压外环比例积分电流内环比例（PIP）控制方式都要好。但是两者性能差距不大，然而PIPI采用数字化控制时，因为电流内环积分常数过大，会导致CPU的数据溢出，不能稳定地控制整个系统，所以本文主要针对PIP控制策略研究分析，其控制框图如图3所示。

图3 双环控制框图

由图3可得，电感电流内环的开环传函和闭环传函（图中，Gv＝kp＋ki／s，Gi＝k）：

利用电流内环闭环的传递函数可以得到电压外环开环传函：

电压外环闭环传递函数与系统的输出阻抗分别为：

利用配置极点的方法可得PIP双环控制的参数，这里电压外环kp＝0.0138，ki＝26.0525，电流内环k＝239.9。

根据上面各式可以画出相应的双环控制系统的频率响应特性，如图4、5、6、7。

图4表明电流调节器使得电流内环的上升时间2.7 ms左右，符合系统动态响应速度的要求。

图4 电流内环闭环阶跃响应特性

从图5电压外环开环波特图可得，电压调节器使得电压外环的相角裕度接近70°，幅值裕度也比较大，稳定性较高；从电压外环闭环波特图可得，双环控制系统基波闭环增益接近1，对相位影响比较小，系统的稳态性能非常好。

图5 电压外环开环与闭环频率特性

图6 电压外环闭环阶跃响应特性

图6 中双闭环系统的单位阶跃响应的上升时间为0.56 ms，响应速度非常快。

图7 输出阻抗频率特性

图7 给出了系统的输出阻抗在各个频段对应的阻抗幅值，即输出电压与负载电流扰动的比值，可以看出负载电流的扰动对输出电压的影响在各个频段都有非常大的衰减，系统具有很强的负载扰动抑制能力。

5 单相逆变器仿真测试与结果分析

图8是空载时的输出电压与电压指令波形，其中a曲线是输出电压波形，为了看清楚两曲线的区别，b是0.5倍电压指令波形；图9是对输出电压FFT分析，可以看出输出电压的THD＝0.54，基波相位延迟0.7度，影响非常小。

图8 空载时电压指令信号与负载电压

图9 空载时负载电压FFT分析

图10 是满载（7.6 A）时的输出电压波形，由图11可以看出输出电压THD＝0.48%，相位延迟0.7°，对相位的影响比较小。空载时，逆变器运行阻尼最小，震荡剧烈，收敛速度最慢，控制难度最大，所以空载逆变器性能要差于满载的性能，但是由于双环的有效控制，空载时的动态性能与稳态性能都是非常好的。

图10 满载时电压指令信号与负载电压

图11 满载时负载电压FFT分析

6 实验结果

搭建一台5 k W逆变器样机，主控芯片采用TI公司TMS320LF28335，采用本文电感电流瞬时反馈控制和负载扰动前馈补偿相结合的控制方式，对PI参数稍作调整可以得到单相基波的波形，如图12，可以看出输出波形的稳定性比较好，达到预期目的。

图12 5 k W逆变器负载电压

7 结论

针对电网模拟器输出电压应具有高抗干扰能力、非常好的动态性能和稳态性能的特点，提出了电感电流瞬时反馈控制和负载扰动前馈补偿相结合的控制方式，控制器设计简易明了，可以解决电网模拟器输出电压性能指标的要求。文章通过对这种控制策略的数学建模以及内环闭环传函、外环开环和外环闭环传函的各种频率下特点分析，详细地阐述了在这种双环控制策略下，使电网模拟器输出电压具有非常好的动态性能与稳态性能。通过仿真得出了电网模拟器的输出电压，最后设计了5 k W样机，采用DSP28335处理器设计并实现了整个数字控制系统的软件和硬件平台，通过验证与理论是相一致的，说明本方案可行。

［1］ 张 强，张崇巍，张 兴，等.风力发电用大功率并网逆变器研究［J］.中国电机工程学报，2007，27（16）：55-59.

［2］ SHEN G，XU D，CAOL，et al.An improved control strategy for grid—connected voltage sourceinverters with an LCLfilter［J］.IEEE Trans on Power Electronics，2008，43（5）；1899－1906.

［3］ 黄小荪，翟长国，曹志刚，等.电力监控系统中考虑新能源的3层建模方法［J］.电力统自动化，2012，36（11）：72－76.

［4］ 王 建，李兴源，邱晓燕.含有分布式发电装置的电力系统研究综述［J］］.电力系统自动化，2005，29（24）：90-97.

［5］ 梁才浩，段献忠.分布式发电及其对电力系统的影响［J］.电力系统自动化，2001，25（12）：53-56.