户用型离网逆变器控制研究

周 嵩，龙 威，念丽波

（昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明650500）

0 引言

为了解决无电地区的供电问题，参考文献［1］提出了农村户用微电网结构，适用于大电网无法覆盖的偏远地区，可解决供电可靠性或电能质量差等供电难题，以满足偏远地区居民日常用电的需求。

在户用型离网系统中一般使用光伏或者风能作为微源［2］，在光照和风力都充足时，除可满足家用负荷的电力需求外，同时将剩余电力存储在蓄电池中。在无光或者夜晚，由蓄电池给负荷供电。但由于微源受环境因素的影响，造成直流侧电压波动；另外，由于大多数家用电器都带有感性电机，在启动瞬间会产生冲击，造成线路波动，导致逆变器输出的电能质量不合格，提供给家用电器的电压不稳定，对家用电器造成影响，减少其使用寿命。

因此，为了使家用电器能稳定正常运行在户用型离网系统中，逆变器的控制技术是关键。但是，现在针对户用型离网系统逆变器的研究较少。

直流侧电压在一定范围内波动时，逆变器依然能输出良好的电能质量，从而降低对输入直流母线电压的要求。通过Matlab软件在Simulink环境仿真，实现户用型离网逆变器的控制研究。

1 户用型离网系统逆变器结构

一般户用供电系统多为单相系统，因此建立单相逆变器的数学模型，其等效电路图如图1所示［3］。

图1中，Ui（Udc）为直流母线电压，Uo为输出电压，UC为电容两端电压，iL为滤波电感L的电流，io为负载电流。滤波电感L与滤波电容C构成低通滤波器。

图1 户用型离网系统逆变器主电路拓扑

由图1，根据基尔霍夫电压定律和电流定律，可列出逆变器输出部分的回路方程：

Ui为输入电压；Uo为输出电压；ii和UC为状态变量，可以得出状态方程和输出方程为：

因此，逆变器输出的传递函数为［4］：

可以得出传递函数G（s）的结构框图如图2所示。

图2 户用型离网系统逆变器结构

2 双环控制策略

考虑到偏远地区的供电限制，要求户用型微网系统能稳定运行在离网状态下，为家用电器提供稳定的电压，保证其正常使用。由于微源的不稳定，受环境影响严重，因此需要有合适的控制策略来控制逆变器，从而确保输入负荷的电力的稳定。

采用双闭环控制结构，控制环路如图3所示。系统的控制由外环电压控制器和内环电流控制器组成。为有效改善逆变器输出波形的质量及其动态性能，将输出电压与电感电流作为反馈量，对IGBT开断信号进行实时调整，从而控制逆变器的输出波形。在电压外环控制中，逆变器的输出电压必须跟踪周期性的正弦参考指令；而内环电流控制在抑制电容电流突变的同时也抑制了输出电流的突变。

图3 户用型离网系统双环控制器

外环电压内环电流双环控制系统框图如图4所示。

图4 双环控制系统

3 仿真分析

在Matlab／Simulink环境下搭建了户用型离网系统逆变器仿真模型，对上述分析进行仿真验证。

仿真模型中的户用型离网系统逆变器模拟真实家庭用电情况。交流母线采用单相220V电压等级，直流母线电压为经过变换器升压后的400V。而多数家用电器如洗衣机、电冰箱、微波炉等含有电机的电器都属于感性负载。因此，选用RL负载模拟家用负荷。

为了使结果具有可比性，本文中的户用型离网系统逆变器开环系统与带有控制的系统仿真在相同的工况下。根据图1的主电路拓扑图在Matlab／Simulink下搭建户用型离网系统逆变器模型。模型中主要包括主电路、逆变器控制模块以及测量模块。

模型中的参数设置如下：正弦波幅值为311V，基波频率为50Hz，输出滤波电感L＝4mH，滤波电容C＝10μF，开关频率为5kHz。LC负载额定电压为220V，有功功率P＝5 000W，功率因素取0.85，感性无功功率Q＝3 098Var。仿真时间为0.16s。在仿真0.02s时，启动负载。

定义一段波动的直流母线电压：在仿真前0.05 s，电压保持在400V；从0.05s至仿真结束，直流母线电压开始波动，波动幅度在±15%范围内。

开环系统与闭环系统的输出电压比较如图5所示。当直流母线电压波动时，开环系统逆变器输出电压受直流侧电压影响较大，幅值不稳定；由于负载带有电感，在开始运行瞬间，电压波动较大；经过控制后的输出电压波形呈标准正弦曲线，幅值稳定。

图5 系统输出电压比较

开环系统与闭环系统输出电压的谐波分析对比如图6所示。选取两系统输出电压在0.08s之后的2个周期进行谐波分析，基波频率为50Hz。由图6a开环系统的输出电压谐波可以看出，在开环系统下，当直流侧电压波动时，系统频率在25Hz时的THD为5.01%，75Hz的THD为4.8%，高频谐波很小；从图6b闭环系统的输出电压谐波中可以看出，输出电压除了基波频率50Hz外，其他频率的谐波基本为0，谐波分析表明经过双环控制后的系统输出电压已经稳定，同时谐波畸变已达到标准，电能质量合格。

图6 两系统输出电压谐波分析对比

4 结束语

在户用型离网系统逆变器结构的基础上，指出了直流母线电压以及家用电器启动瞬间对输出电压波的影响，提出了双环控制策略，对所存在的问题及解决方案进行建模仿真，验证了直流侧电压在一定范围波动时，控制策略可近似消除直流母线电压波动对输出负载的影响，从而确保输入家用电器的电能质量合格。仿真结果表明所提出的控制策略能够提高偏远地区供电可靠性及电能质量。

［1］ Bhattacharyya S C.Review of alternative methodologies for analysing off-grid electricity supply［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2012，16（1）：677-694.

［2］ 孙钦斐，高婷婷，杨仁刚，等.农村户用型智能微电网设计与实现［J］.农业工程学报，2013，29（13）：150-157.

［3］ 王鹤，李国庆.含多种分布式电源的微电网控制策略［J］.电力自动化设备，2012，32（5）：19-23.

［4］ 王红艳，王晓辉，曹丽璐.单相400Hz逆变器双环控制技术研究［J］.电力系统保护与控制，2009，37（7）：54-57.