三相两电平并网逆变器双闭环控制策略研究

王自立 鲁旭

摘要：并网逆变器作为新能源发电系统的核心装置，是新能源转换为电能的关键所在。针对三相两电平并网逆变器，首先建立了其数学模型，然后采用了基于电流内环、电压外环的双闭环控制策略，最后在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，仿真结果证明了控制策略的正确性与有效性。

关键词：三相两电平并网逆变器;数学模型;双闭环;控制策略

0    引言

伴随着化石能源的枯竭，如今各国都在寻求发展风能、太阳能、水能等可再生能源，以应对能源危机，因此如何将可再生能源转换为电能，并高质量馈送到电网成为了问题研究的关键[1]。并网逆变器作为新能源发电系统的核心装置，其控制策略的优劣关系到并网成功与否。本文在建立三相两电平并网逆变器数学模型的基础上，提出了電压、电流双闭环控制策略，并基于Simulink搭建了仿真模型，对文章所提控制策略进行了验证。

1    数学模型分析

图1为基于单L滤波器的三相两电平并网逆变器拓扑结构图。

根据图1，并假设电网严格对称，根据基尔霍夫电压定律（KVL），可列出在三相abc静止坐标系下三相两电平并网逆变器输出电压关系为：

将公式（1）转换到两相旋转dq坐标系下，则有公式（2）成立：

公式（2）即为dq坐标系下的逆变器数学模型。

采用基于电网电压定向的矢量控制策略，此时ed与电网电压幅值相等，eq为0。根据瞬时功率理论，若经并网逆变器传输的有功功率为P、无功功率为Q，则有公式（3）成立：

通过公式（3）可知，通过控制直轴、交轴电流id、iq，便可实现对并网逆变器有功与无功的控制。

2    并网逆变器控制策略

2.1    电流内环控制策略

由公式（2）可知，在dq旋转坐标系下，逆变器交直轴输出电压之间相互耦合，无法实现ud、uq的独立控制，因此需要进行解耦[2]。本文引入了PI控制器，通过在系统的输入之前增加前馈项，用前馈项抵消系统中的耦合，实现系统变量的独立控制。引入PI控制器后，方程式（2）可以改写为：

由公式（4）可以得到电流内环解耦框图，如图2所示。

针对并网逆变器的控制一般按最大功率因数进行，因此实际应用中，应使无功为0，由于交轴电流iq控制无功功率，因此交轴电流参考量iq_ref为0;直轴电流参考量则由电压外环给定。

2.2    电压外环控制策略

电压外环作用在于稳定直流母线电压;在不考虑功率损耗的情况下，直流侧有功与交流侧有功相等，即有公式（5）成立：

由公式（5）可知，由于ed固定，因此通过改变Udc的大小可以直接改变id。故引入了PI控制器对Udc进行负反馈控制，然后将经PI环节调节后的输出作为内环的id_ref，从而实现稳定直流母线电压的目的。电压外环可用公式（6）表示：

式中，Kp、Ki是电压外环PI控制器的比例与积分常数;Udc_ref、Udc分别为直流母线电压指令值与实际值。

电压外环输出值则为电流内环直轴电流的指令值。

图3为双闭环控制原理示意图。

3    仿真与分析

为了验证本文提出控制策略的正确性，在Simulink中搭建了仿真模型，Udc=660 V，L=4.8 mH，el-l=380 V，基波频率f=50 Hz，开关频率fs=6 kHz，功率等级P=30 kW。图4为A相电网电压与并网电流仿真结果，可以看到并网电流具有良好的正弦性，证明了电流内环控制策略的有效性。

图5为直流母线电压仿真结果，可以看到直流母线电压稳定在660 V左右，证明本文所提的电压外环控制策略能够有效稳定直流母线电压。

图6为A相电流的THD分析图，可以看到THD仅为3.47%，小于国家标准5%，满足并网要求。

4    结语

本文详细分析了三相两电平并网逆变器的实现原理及过程，采用了电流内环、电压外环的双闭环控制策略，仿真结果证明了本文所提方法的可行性。

[参考文献]

[1] 丁琦.风电并网逆变器控制策略研究[D].锦州：辽宁工业大学，2019.

[2] 辛双志，王丙辉，曾洋，等.基于PI控制的两电平光伏并网逆变器研究[J].电子质量，2017（9）：54-59.

收稿日期：2020-04-22

作者简介：王自立（1992—），男，河南南阳人，在读硕士研究生，研究方向：电力电子与电力传动。

鲁旭（1995—），男，河南开封人，在读硕士研究生，研究方向：电力电子与电力传动。