三相变流器并网电流的分裂解耦控制方法

杨轶成，余志飞，胡　炫，丁明进

（国电南京自动化股份有限公司，南京210003）



三相变流器并网电流的分裂解耦控制方法

杨轶成，余志飞，胡炫，丁明进

（国电南京自动化股份有限公司，南京210003）

摘要：基于dq旋转坐标系下三相变流器的前馈解耦控制，提出一种分裂解耦控制方法。此方法通过一个解耦分裂因子k来平衡dq轴电流给定量与反馈量在控制器中的作用权重，并且可以根据工况时调整参数k的取值大小。仿真和实验结果表明，基于并网电流的分裂解耦控制方法简单，易于实现，当分裂因子取0.5时在变流器的动、稳态性能之间能够取得较好的平衡。

关键词：分裂解耦控制；并网变流器；dq旋转坐标系

引言

近年来，三相变流器作为新能源转换及电能质量治理装置［1-2］，应用越来越广泛，同时随着应用场合的多样化，对其三相变流器的稳、动态性能也提出了更高的要求。

目前为实现对三相变流器网侧电流的无差控制，通常采取将abc静止坐标系下三相电压和电流通过同步旋转坐标变换到dq两相同步旋转坐标系下，进行前馈解耦控制［3-4］。传统的PI控制的解耦方法在电流给定量突变时，系统响应慢，即动态性能不理想，此外由于进行旋转坐标变换只考虑了基波分量，因此若电网存在背景谐波，从而会产生电流谐波，而此时电流解耦控制量已不能反映系统的真实状态，d轴和q轴解耦分量进一步相互影响，最终导致并网电流波形质量降低即稳态性能变差。文献［5］基于感应电动机定子电流解耦控制思想，提出采用内模解耦控制，该方法可以实现三相变流器在旋转坐标系下的完全解耦，但是算法比较复杂，工程运用比较困难。

本文在传统dq坐标系下电流解耦控制的基础上，提出了一种基于分裂系数的并网电流分裂解耦控制方法，通过根据不同工况取不同的分裂系数来调整dq轴电流给定量与实际反馈量在解耦环节的比重，该方法实现简单，计算量小，却能很好的解决传统解耦控制下稳、动态性能相矛盾的问题，从而可以提高三相变流器的动态响应性能及稳态电流质量。

1　三相变流器dq轴解耦控制原理

通用三相并网变流器在传统dq轴下解耦控制框图如图1所示。图中：ea、eb、ec为三相电网电压；O点为电网中性点；N为直流负电位点；U、V、W为变流器三相输出点；ia、ib、ic为变流器三相并网电流并以电流流出变流器为正方向；Lg为三相并网电感量；Udc为直流母线电压；Ud、Uq为变换器输出电压的d轴和q轴分量；Usd、Usq为前馈电网电压的d轴和q轴分量；id、iq为变换器输出电流的d轴和q轴分量；id*、iq*为给定电流d轴和q轴分量。

图1　dq轴三相并网变流器控制框图Fig.1 Control block diagram of three-phase grid connected converter under dq axis

根据图1的电流参考方向，忽略滤波电抗器及功率器件开关的等效内阻，可得系统在三相abc坐标系下的方程为

对式（1）进行dq变换，可以得到三相并网变流器在两相同步旋转dq坐标系输出电压Ud、Uq的方程，即

式中，ω为电网电压的基波角频率。

由式（2）可以看出，变流器并网电流的d、q轴之间存在耦合项ωLgid、ωLgiq，Ud、Uq难以实现对id、iq的快速控制，通过加入前馈解耦项可以实现完全解耦控制。同时为了消除系统硬件参数的误差及给定量的启动，实现稳态无差控制，通常在dq坐标系下引入PI控制器构成对网侧电流的完整控制，其控制框图如图1所示。

由图1可得，传统dq轴解耦控制的控制量为

式中，kp、ki为电流环PI控制器的比例系数及积分系数。

由式（3）可知，传统dq轴解耦控制是通过电流环PI控制器的调节作用来启动，随着网侧产生电流之后，dq轴之间的解耦控制项起作用，再反过来慢慢削减PI控制器的作用，最终保持一个平衡状态，此时PI控制器的理想输出为0。由以上调节过程可以看出，若希望电流给定的阶跃响应速度足够快，需保证电流环PI控制器的控制参数足够大，而同时随着PI控制器参数的增大，会导致系统失稳风险增大及并网电流谐波大，因此为了确保系统的稳定性，需牺牲系统一定的动态响应速度。此外另一种情况是，在某些特定运用场合，电网畸变严重，导致并网电流谐波大，此时电网电流的谐波会通过dq轴之间的前馈解耦项作用，导致电网电流的谐波进一步变大。

针对上述问题，文献［4］给出一种解决方法，即用电流给定量id*和iq*来分别替换dq轴解耦项中的网侧实际电流id和iq，则其控制量为

该方式可以有效地减小稳态时的电流谐波量，同时可以提高电流阶跃给定的动态响应速度，但存在由于电流给定阶跃时PI控制器及前馈解耦项的共同作用，会产生较大的超调导致过流，且在外部条件突变的情况下，如光伏并网逆变器在低电压穿越时，会导致响应速度反而变慢的情况。

2　改进型并网电流分裂解耦控制策略

综合传统解耦控制及文献［4］提出的用给定电流替代实际电网电流作为前馈解耦量这2种方法各自的优点，提出一种改进型并网电流分裂解耦控制策略，其控制原理框图如图2所示。

图2　改进型分裂解耦前馈控制框图Fig.2 Improved split decoupling feed-forward control block diagram

该控制方法是通过利用一组互补的解耦分裂因子k和1-k来平衡电流给定量与实际电流反馈量的作用权重，并且可以通过时工况调整参数k的取值大小，来协调电流给定与反馈的作用。根据图2可得，dq轴分裂解耦控制的控制量为

式中：k为分裂解耦因子，0≤k≤1；ΔUd、ΔUq分别为

关于分裂解耦因子k的取值，可以采用模糊控制［6］的方法，根据电流给定及电流反馈的突变幅值及方向来时选取合适的值，其具体的实现在这里不展开讨论，本文主要分析取不同的k值时，对系统的稳态和动态性能的影响。

3　仿真分析

为了验证本文所提出的改进型并网电流dq轴分裂解耦控制方法的效果，利用Matlab/Simulink联合PSIM仿真软件搭建了其快速仿真模型，由PSIM负责功率回路仿真部分，Simulink负责控制算法仿真部分。系统主要参数如下：网侧为三相对称电源电压，线电压有效值为270 V/50 Hz；滤波电抗器为0.17 mH；直流源电压为700 V，母线滤波电容为10 mF；开关频率为3 kHz，电流标幺基准值为1 800。

图3　不同解耦分裂因子k对应的阶跃响应Fig.3 Different decoupling splitting factor k corresponds to the step response

图3为解耦分裂因子k分别取不同值时，给定d轴电流的动态阶跃响应。由图可以看出，随着k值越大，其动态响应越快，但超调量也越来也大。k 取0.5时，其动态响应效果平衡最好。

为了验证在电网电压畸变的情况下解耦分裂因子k对并网电流谐波含量的影响，在仿真模型的电网电压中加入7、11次谐波，且在电流环PI参数不变的情况下取不同的k值，其对应并网电流的THD如表1所示。由表可以知，随着分裂解耦因子k越大，电流畸变越小。

表1　解耦分裂因子k对并网电流THD的影响Tab.1 Effect of k on the grid connected current decoupling division factor THD

4　实验验证

为了进一步验证本文所提出的并网电流分裂解耦控制方法的可行性，在500 kW光伏并网逆变器上进行了实验验证。系统主要参数：三相电网线电压265 V；LC滤波器：L=0.17 mH，C=200 μF（角接）；直流源Udc=600 V；开关频率3 kHz；电流环PI参数：kp=0.1，ki=0.5。同时为了便于观察电流的阶跃响应，将有功电流的给定id及反馈id*通过控制器的D/A通道输出到录波仪上。

图4　k=0.5时实验波形Fig.4 Experimental waveforms when k is 0.5

图5为其他条件相同、k取不同值的情况下，电流的阶跃响应实验波形。由图可以看出，k值越大，响应越快，同时超调越大，这与前面的仿真分析基本一致。图4为k取中间值0.5时输出电流的动态响应。从电流波形可以看出其动、稳态响应性能平稳。

图5　不同k对应的阶跃响应实验波形Fig.5 Different k corresponding to the step response waveforms

4　结语

本文首先介绍了三相变流器在旋转坐标系下的解耦控制，在其基础上提出了一种基于电网电流的分裂解耦控制方法，通过一个解耦分裂因子k来平衡旋转坐标系下dq轴电流给定量与反馈量在控制器中的作用权重，并且可以根据工况时调整参数k的取值大小，从而提高了变流器的动、稳态性能。仿真和实验结果表明，基于并网电流的分裂解耦控制方法简单，易于实现，具有一定的工程运用价值。

参考文献：

［1］Bialasiewicz，Jan T. Renewable energy systems with photo voltaic power generators：operation and modeling［J］. IEEE Trans. on Industrial Electronics，2008，55（7）：2752-2758.

［2］Taotao Jin，Lihua Li，Smedley K. A universal vector controller for three-phase PFC，APF，STATCOM，and grid-connected inverter［J］. IEEE Trans. on Ind. Electron.，2008，55（6）：2459-2472.

［3］秦静，李世光，蒋正友.三相电压型PWM整流器的解耦与控制研究［J］.电气传动，2011，41（4）：22-27.

Qin Jing，Li Shiguang，Jiang Zhengyou. Research of decoupling and control on three-phase PWM voltage rectifier ［J］.Electric Drive，2011，41（4）：22-27（in Chinese）.

［4］姚志垒，肖岚，陈良亮.三相SVPWM并网逆变器的改进解耦控制方法［J］.电力系统自动化，2012，20（36）：99-103. Yao Zhilei，Xiao Lan，Chen Liangliang.

An improved decoupling control method for three phase grid connected inverters with SVPWM［J］. Automation of Electric PowerSystems，2012，20（36）：99-103（in Chinese）.

［5］汤赐，罗安.配电网静止同步补偿器的前馈解耦控制策略［J］.电力自动化设备，2010，30（6）：40-44.

Tang Ci，Luo An. Feed-forward decoupling control strategy of DSTATCOM［J］. Electric Power Automation Equipment，2010，30（6）：40-44（in Chinese）.

［6］陈家伟，陈杰，陈冉，等.变速风力发电机组自适应模糊控制技术［J］.中国电机工程学报，2011，31（21）：93-101.

Chen Jiawei，Chen Jie，Chen Ran，et al. Adaptive fuzzy logic control technique for variable-speed wind turbines ［J］. Proceedings of the CSEE，2011，31（21）：93-101（in Chinese）.

［7］汪万伟，陈寿平，张建华，等.运用于新能源并网的变流器控制策略研究［J］.电源技术，2015，39（2）：376-378.

Wang Wanwei，Chen Shouping，Zhang Jianhua，et al. Research of control scheme for new energy grid-connected inverter［J］. Chinese Journal of Power Sources，2015，39（2）：376-378（in Chinese）.

杨轶成

Split Decoupling Control Method of Grid Connected Current in Three-phase Converter

YANG Yicheng，YU Zhifei，HU Xuan，DING Mingjin
（Guodian Nanjing Automation Co.，Ltd.，Nanjing 210003，China）

Abstract：Based on feed-forward decoupling control method of three-phase converter under dq rotating coordinate system，split decoupling control method is proposed. A decoupling splitting factor k is used to balance the role weight between desired input and the feedback of dq axis current. The value of parameter k can be constantly adjusted by working conditions. The simulation and experimental results show that the split decoupling control method based on grid current is easy to implement，and when splitting factor taking the value 0.5，the dynamic-state performance and the steady-state performance of the converter can achieve a better balance.

Keywords:split decoupling control；grid-connected inverter；dq rotating coordinate system

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．2．31中图分类号：TM 464

文献标志码：A

收稿日期：2015-04-28

作者简介：

杨轶成（1986-），男，通信作者，硕士研究生，工程师，研究方向：电力电子功率变换技术，E-mail：yyc114@126.com。

余志飞（1986-），男，硕士，工程师，研究方向：从事变流器应用技术，E-mail：zhife i-yu@sac-china.com。

胡炫（1979-），男，硕士，高级工程师，研究方向：电力电子及电气传动控制技术，E-mail：xuan-hu@sac-china.com。

丁明进（1985-），男，硕士，工程师，研究方向：电力电子功率变换技术，E-mail：min gjin-ding@sac-china.com。