光伏并网型三相逆变器电流内环及电压内环的数模设计
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１ ． 课题 背 景
Ｘ ｄ ＝Ｔ（ ｅ ） Ｘ￣ ｏ （ ３ － ４ １
ｏ ｓ
—
在环境 污染 严重 以及 能源 日益 紧缺 的今天 ， 开发利 用可再生绿 色 能源 已经 成为人类 的迫 切需要 。在世界 范围内 ， 以美 国 、 日本 、 德 国为 首 的许多 发达国家 大力 发展光伏并 网工程 。从世界 光伏 发电市场看 ， 光伏并网发 电近年来发展很快 ， 累计市场份额已经超过 ８ ０ ％， 整个 光伏 并 网市场在蓬勃发展” 。 我 国有 着十分丰 富的太阳能资源 ， 具 有开发和利用 太阳能的优越 资源 条件 。我 国政府对并 网光伏 发电技术 的研究十分重视 。加强 了对 光伏 发电并 网系统 的设 计 、 关键 的设 备研制和光伏 与建筑相结合等 方 面 的攻关 ， 加快 了光伏 发电并 网技 术的发展 ， 并 建成 了多座并 网示 范电
Ｉ （ ） “ （ ） （ ） Ｌ （ ） ＝ （ ） （ Ｒ ： ＋ ， ）
Ｕａ － Ｅ ＋Ｌ ｗ
Ｉ ａ
Ｕ， ｚ （ ｓ ） －Ｅ
＿
‘ …
显然 ， 在ｄ ， ｑ 坐标系 中， 并 网逆变器 的数学模 型在 ｄ ， ｑ 轴 之间存在 耦合 。为了实现解耦控制通常在并网逆变器输出交流 电压 中分别引 入 前馈 量 Ｌ 。 （ ） 和一 Ｌ Ｌ （ ） 使其与耦合项分别对消 ， 从而实现解耦。
Ｕ Ａ Ｏ ＝— 一
Ｕ Ｌ
向， 但这需要对锁相环进行 动态响应 与稳态精度 的折 中设计 ， 定向好 坏
取决 于锁 相环的设计性 能。另一种简 单的解决方法是 ， 采用虚拟磁链 进行定 向， 由于虚拟磁链实际上是 电网电压 的积分 ， 而积分 的低通特性 则对 电网电压 中的谐波 分量有一定 的抑制作用 ， 从而有 效克服 了电网 电压对适量定向精度的影响。 总之 ， 根据矢量定 向和控制变量 的不 同 ， 并 网逆变器 的控制策 略可 以归纳成 如下 ４ 类： （ １ ） 基于 电压 定 向的矢 量控制 （ Ｖ Ｏ Ｃ ） ； （ ２ ） 基于 电压 定 向的 直 接 功率 控 制 ｆ Ｖ — Ｄ Ｐ Ｃ ） ； （ ３ ） 基 于 虚 拟 磁链 定 向 的矢 量 控 制 （ Ｖ Ｆ Ｏ Ｃ ） ； （ ４ ） 基于虚拟磁链定 向的直接功率控制（ Ｖ Ｆ — Ｄ Ｐ Ｃ ） 。
３ ． １ 电流内环 的设计 内环被控 系统 的开环传递 函数为ｆ 反馈系数 Ｋ Ｉ 取１ ） ｒ ｌ Ｇｌ （ ） ：ＧＰ ㈨（ ． Ｇ （ ） （ ３ － ７ ） Ｇ Ｐ （ ｓ ） 为Ｐ ＷＭ逆 变器的增益 ， 单极 性调制且 功率开关存 正半同 时 ， 可以表示 为：
并删逆变器控
制 镱 雠Ｉ
（ ３ － ８ ）
式（ ３ — ８ ） 中， Ｓ为开关 函数 ， 当 Ｖ１ １ 、 Ｖ ２ １ 导通时 ， Ｓ ＝ Ｉ ； 肖Ｖ ２ １ 、 Ｄｌ Ｏ 导
通或Ｖ ３ １ 、 Ｄ １ ０ ’ 导通时 ， Ｓ ＝ ０ 。显然 由于开关 函数的存在 ， 式（ ３ － ｌ ０ ） 中Ｓ 不连续 ， 对式 （ ３ － ８ ） 求开关周期平均 ， 得到 ：
站 。
式中， 厂 （ ） 一 变换矩 阵， 丁（ ） ： ｃ
一
ｓ ｌ ｎ
０
ｊ
矢量， ＝ （
Ｒ＋『 ，
） ‘
＋Ｌ
、
联立式 （ ３ － ３ ） 和（ ３ － ４ ） 并进行相应的数学变换 可得
一
孙 ，
， 。
（ ３
式 中 一 同步旋转角频率 ， 且 ＝
技 信
光伏并网型三相逆变器电流内环及电压内环硇数ｉ ｌ ａ［ ￣ 计
青海省 电力公 司检 修公 司 张彦 军 李 晓明
［ 摘 要］ 为 了解决能源资源的 紧缺现状 ， 光伏发 电并 网系统得到 了长足 的发展 和广泛的应用。在光伏发 电并 网系统 中， 并 网逆 变器
的设计与控制有 着至关重要 的地位 。本 文介 绍 了一种 三相 三电平逆变 器的设计与控制策略 ， 着重介绍 了电流 内环 、 电压外环 的设计 方法 ， 以便对今 后光伏 并网型三相逆变器数 学建模提供一定的帮助 。 ［ 关键词］ 三相三电平逆变器 数 学建模 仿真分析
Ｄ（ ｆ ） ＝兰
“ｌ ｒ，
｛ｌ
ｌ
式（ ３ － １ １ ） 中 “ 为 正弦 波 调 制 信 号 ， “ 二 三 角载波信号 ， 把 式 （ ３ － １ １ ） 代人式 （ ３ — ９ ） 得：
：
图１ 并 网逆变器 的控制策略 ３ ． 同步坐标 系下并网逆变器的数学模 型 在三相静止 坐标 系下 ， 并 网逆变器的电压方程为
｜ １
பைடு நூலகம்
（ ３ 一 Ｉ ２ ）
在零初始状态 下 ， 对式 （ ３ — ５ ） 进行拉 氏变换 ， 可得到 系统 在同步旋 转坐标 系下并 网逆变器 的频域数学模型 为
２ ． 并网逆变器的控制策略简 介 由于 实际的电 网电压并非理想 的正弦波 电压 ， 即电网电压除 基波 分量 外还有非常 丰富的谐波分量 ， 因此使得 电网电压 的检测之 中除基 波分量外还含有偕波分量 ， 这样就使得基 波电压定 向出现偏差 ， 从 而降 低 了系统有功 、 无功的控制性能。 解决 以上不足 的方法 有两种 ， 一种 可行的解决方 法是加入基 于电 网电压基波 的锁相环 （ ｐ ｌ １ ） 技术 ， 以期实现对 电网 电压基 波分量进行 定
“ Ａ ｏ ＝ （ ３ － ９ ）
式（ ３ — ９ ） 中… ￣ ／ Ａ Ｏ 代表 “ 的开关 周期平均值 。Ｎ ｓ 的开关 周期 平 均值为 ：
ｓ ＝Ｄ（ ｔ ） （ ３ — １ ０ ）
（ ３ － １ ｉ ）
ｉ
式（ ３ 一 ｌ ０ ） 中 Ｄ为 占空 比。 由规则采样法可得 ：
Ｘ ｄ ＝Ｔ（ ｅ ） Ｘ￣ ｏ （ ３ － ４ １
ｏ ｓ
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在环境 污染 严重 以及 能源 日益 紧缺 的今天 ， 开发利 用可再生绿 色 能源 已经 成为人类 的迫 切需要 。在世界 范围内 ， 以美 国 、 日本 、 德 国为 首 的许多 发达国家 大力 发展光伏并 网工程 。从世界 光伏 发电市场看 ， 光伏并网发 电近年来发展很快 ， 累计市场份额已经超过 ８ ０ ％， 整个 光伏 并 网市场在蓬勃发展” 。 我 国有 着十分丰 富的太阳能资源 ， 具 有开发和利用 太阳能的优越 资源 条件 。我 国政府对并 网光伏 发电技术 的研究十分重视 。加强 了对 光伏 发电并 网系统 的设 计 、 关键 的设 备研制和光伏 与建筑相结合等 方 面 的攻关 ， 加快 了光伏 发电并 网技 术的发展 ， 并 建成 了多座并 网示 范电
Ｉ （ ） “ （ ） （ ） Ｌ （ ） ＝ （ ） （ Ｒ ： ＋ ， ）
Ｕａ － Ｅ ＋Ｌ ｗ
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显然 ， 在ｄ ， ｑ 坐标系 中， 并 网逆变器 的数学模 型在 ｄ ， ｑ 轴 之间存在 耦合 。为了实现解耦控制通常在并网逆变器输出交流 电压 中分别引 入 前馈 量 Ｌ 。 （ ） 和一 Ｌ Ｌ （ ） 使其与耦合项分别对消 ， 从而实现解耦。
Ｕ Ａ Ｏ ＝— 一
Ｕ Ｌ
向， 但这需要对锁相环进行 动态响应 与稳态精度 的折 中设计 ， 定向好 坏
取决 于锁 相环的设计性 能。另一种简 单的解决方法是 ， 采用虚拟磁链 进行定 向， 由于虚拟磁链实际上是 电网电压 的积分 ， 而积分 的低通特性 则对 电网电压 中的谐波 分量有一定 的抑制作用 ， 从而有 效克服 了电网 电压对适量定向精度的影响。 总之 ， 根据矢量定 向和控制变量 的不 同 ， 并 网逆变器 的控制策 略可 以归纳成 如下 ４ 类： （ １ ） 基于 电压 定 向的矢 量控制 （ Ｖ Ｏ Ｃ ） ； （ ２ ） 基于 电压 定 向的 直 接 功率 控 制 ｆ Ｖ — Ｄ Ｐ Ｃ ） ； （ ３ ） 基 于 虚 拟 磁链 定 向 的矢 量 控 制 （ Ｖ Ｆ Ｏ Ｃ ） ； （ ４ ） 基于虚拟磁链定 向的直接功率控制（ Ｖ Ｆ — Ｄ Ｐ Ｃ ） 。
３ ． １ 电流内环 的设计 内环被控 系统 的开环传递 函数为ｆ 反馈系数 Ｋ Ｉ 取１ ） ｒ ｌ Ｇｌ （ ） ：ＧＰ ㈨（ ． Ｇ （ ） （ ３ － ７ ） Ｇ Ｐ （ ｓ ） 为Ｐ ＷＭ逆 变器的增益 ， 单极 性调制且 功率开关存 正半同 时 ， 可以表示 为：
并删逆变器控
制 镱 雠Ｉ
（ ３ － ８ ）
式（ ３ — ８ ） 中， Ｓ为开关 函数 ， 当 Ｖ１ １ 、 Ｖ ２ １ 导通时 ， Ｓ ＝ Ｉ ； 肖Ｖ ２ １ 、 Ｄｌ Ｏ 导
通或Ｖ ３ １ 、 Ｄ １ ０ ’ 导通时 ， Ｓ ＝ ０ 。显然 由于开关 函数的存在 ， 式（ ３ － ｌ ０ ） 中Ｓ 不连续 ， 对式 （ ３ － ８ ） 求开关周期平均 ， 得到 ：
站 。
式中， 厂 （ ） 一 变换矩 阵， 丁（ ） ： ｃ
一
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一
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（ ３
式 中 一 同步旋转角频率 ， 且 ＝
技 信
光伏并网型三相逆变器电流内环及电压内环硇数ｉ ｌ ａ［ ￣ 计
青海省 电力公 司检 修公 司 张彦 军 李 晓明
［ 摘 要］ 为 了解决能源资源的 紧缺现状 ， 光伏发 电并 网系统得到 了长足 的发展 和广泛的应用。在光伏发 电并 网系统 中， 并 网逆 变器
的设计与控制有 着至关重要 的地位 。本 文介 绍 了一种 三相 三电平逆变 器的设计与控制策略 ， 着重介绍 了电流 内环 、 电压外环 的设计 方法 ， 以便对今 后光伏 并网型三相逆变器数 学建模提供一定的帮助 。 ［ 关键词］ 三相三电平逆变器 数 学建模 仿真分析
Ｄ（ ｆ ） ＝兰
“ｌ ｒ，
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式（ ３ － １ １ ） 中 “ 为 正弦 波 调 制 信 号 ， “ 二 三 角载波信号 ， 把 式 （ ３ － １ １ ） 代人式 （ ３ — ９ ） 得：
：
图１ 并 网逆变器 的控制策略 ３ ． 同步坐标 系下并网逆变器的数学模 型 在三相静止 坐标 系下 ， 并 网逆变器的电压方程为
｜ １
பைடு நூலகம்
（ ３ 一 Ｉ ２ ）
在零初始状态 下 ， 对式 （ ３ — ５ ） 进行拉 氏变换 ， 可得到 系统 在同步旋 转坐标 系下并 网逆变器 的频域数学模型 为
２ ． 并网逆变器的控制策略简 介 由于 实际的电 网电压并非理想 的正弦波 电压 ， 即电网电压除 基波 分量 外还有非常 丰富的谐波分量 ， 因此使得 电网电压 的检测之 中除基 波分量外还含有偕波分量 ， 这样就使得基 波电压定 向出现偏差 ， 从 而降 低 了系统有功 、 无功的控制性能。 解决 以上不足 的方法 有两种 ， 一种 可行的解决方 法是加入基 于电 网电压基波 的锁相环 （ ｐ ｌ １ ） 技术 ， 以期实现对 电网 电压基 波分量进行 定
“ Ａ ｏ ＝ （ ３ － ９ ）
式（ ３ — ９ ） 中… ￣ ／ Ａ Ｏ 代表 “ 的开关 周期平均值 。Ｎ ｓ 的开关 周期 平 均值为 ：
ｓ ＝Ｄ（ ｔ ） （ ３ — １ ０ ）
（ ３ － １ ｉ ）
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式（ ３ 一 ｌ ０ ） 中 Ｄ为 占空 比。 由规则采样法可得 ：