第6章光伏并网逆变器控制策略(1)
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第六章 光伏并网逆变器控制策略
6.1 概述 电力电子变换的主要任务是通过控制使电力电 子系统完成既定的电能变换，并输出期望的电 流、电压或功率。
为克服系统参数变化或扰动对系统输出的影响， 必须引入闭环控制，其典型的控制结构如图所示 。
2020/4/8
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• 电力电子系统的控制主要包括对给定信号的跟 随（跟随性）和对扰动信号的抑制（抗扰性） 两个方面。而对于不同的电力电子系统，其控 制性能对跟随性和抗扰性的要求则有所不同。
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三相静止ABC坐标系下的数学模型
借助电机学的概念，三相定子绕组 A、B、C 在 空间上对称分布且静止不动，ABC坐标系称为三 相静止（3S）坐标系。
交流电机三相对称的静止绕组A 、 B 、C ，通以三相平衡的正弦电流 时， 产生的合成磁动势是旋转磁 动势F，它在空间呈正弦分布，以 同步转速ωs（即电流的角频率）顺 着A-B-C的相序旋转。
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ABC 坐标系下的空间矢量为χa , χb,χc，变换 到αβ坐标系在α轴和β轴的分量分别为xα和 xβ。变换后使各变量的极值不变，可以得 到 3S/2S 坐标变换公式：
在两相静止坐标系中的三相逆 变器电压电流方程分别为
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同步旋转dq坐标系下的数学模型
相互垂直的坐标系 d 轴和 q 轴，同时以ω为角 频率旋转，得到两相同步旋转(dq)坐标系
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解决的方法有两种，一是采用锁相环技术；二 是采用虚拟磁链。
光伏并网逆变器控制策略有4类：
1）基于电压定向的矢量控制 2）基于电压定向的直接功率控制 3）基于虚拟磁链定向的矢量控制 4）基于虚拟磁链定向的直接功率控制
• 在直接电流控制前提下，如果以电网电压矢量进 行定向，通过控制并网逆变器输出电流矢量的幅 值和相位，便可控制并网逆变器的有功、无功功 率，以此实现逆变器的并网控制。
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• 相对于电网电压矢量位置的电流矢量控制， 称为基于电压定向的矢量控制(VOC)。
• 相对于电网电压矢量位置的功率控制，称为 基于电压定向的直接功率控制(V-DPC)。
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两相静止αβ坐标系下的数学模型
把两个相互垂直的坐标轴α 、β 固定，取α轴与 A 相轴重合，β 轴超前α轴 90o，得到坐标系，称为 两相静止(2S)坐标系。
从 ABC 坐标系到αβ坐 标系的变换称为静止三相/ 两相(3S/2S)变换。
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Ua/V 50V/div
Ia/A 5A/div
10ms/div
态
单位功率逆变电压电流波形
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• 图中相应的矢量关系， Ui U L E (U L jLI)
显然通过控制交流侧Ui的幅值和相位，便可控制 UL的幅值和相位，也即控制了电感电流的幅值和 相位。
图 并网逆变器交流侧稳态矢量关系
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间接电流控制：通过控制并网逆变器交流侧电压来 间接控制输出电流矢量。
间接电流控制特点： 无需电流检测，但①对系统参数变化敏感； ②动态 响应速度慢； ③由于没有电流反馈控制，逆变器输 出电流的波形品质难以保证。
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• 直接电流控制方案依据系统动态模型构造电流闭 环控制系统，可提高系统的动态响应速度和输出 电流的波形品质，降低参数变化的敏感度，提高 系统的鲁棒性。
αβ /dq坐标变换公式：
dq坐标系中三相逆 变器的电压电流方 程分别为：
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因此，无论采用何种坐标系，只要在该坐标 系下测量得到电网电压矢量位置即可。
基于电压定向的控制的不足，实际电网电压不 是理想的正弦波，而是存在谐波，所以电压 检测除了基波还有谐波，造成误差。
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并网控制的工作原理：首先由并网控制给定
的有功、 无功功率指令和电网电压矢量，计
算出输出电流矢量I*；
再由 Ui = U L+E ；可得交流侧输出电压指令
Ui * jLI * E 通过SPWM或SVPWM （空间矢量脉宽调制）控制 逆变器输出所需交流侧电压矢量，实现逆变器并网 电流的控制。
如图所示的逆变器：
iinv
iL
S1
S3
S5
ea -
ig
- e+b +
- ec +
L
i
u
L
L
P
Cdc
+ -
udc
V 系
统
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逆变器与市电并联运行的输出控制可分为电压控制和 电流控制。交流电网可视为容量无穷大的交流电压源, 如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制,则实际上就 是一个电压源与电压源并联运行的系统,这种情况下要 保证系统稳定运行,就必须采用锁相控制技术以实现与 市电同步,在稳定运行的基础上,可通过调整逆变器输
以上两种并网逆变器控制策略的控制性能取决于 电网电压矢量位置的精确获得。
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目前，三相逆变器的控制技术目前主要有三类。
第一类在三相 abc 静止坐标系中对三相瞬时变量 分别进行瞬时值反馈控制； 第二类是基于 Clarke 变换，在两相静止αβ 坐标 系下对α 、β 轴的瞬时变量进行反馈控制； 第三类是基于 Park 变换，在两相dq0 旋转坐标系 中对 d、q 轴的瞬时变量进行反馈控制。
出电压的大小及相位以控制系统的有功输出与无功输
出。但由于锁相回路的响应较慢、逆变器输出电压值 不易精确控制、可能出现环流等问题,如果不采取特殊 措施,一般来说同样功率等级的电压源并联运行方式不 易获得优异性能。如果逆变器的输出采用电流控制,则 只需控制逆变器的输出电流以跟踪市电电压,即可达到 并联运行的目的。由于其控制方法相对简单,因此使用 比较广泛。
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两个基本控制要求：
一是要保持前后级之间的直流侧电压稳定 二是要实现并网电流控制
甚至需要根据指令进行电网的无功功率调节
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• 典型的光伏并网控制策略是通过对逆变器 输出电流矢量的控制，实现并网及网侧有 功、无功的控制。逆变器网侧稳态的矢量 关系如图所示。
6.1 概述 电力电子变换的主要任务是通过控制使电力电 子系统完成既定的电能变换，并输出期望的电 流、电压或功率。
为克服系统参数变化或扰动对系统输出的影响， 必须引入闭环控制，其典型的控制结构如图所示 。
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• 电力电子系统的控制主要包括对给定信号的跟 随（跟随性）和对扰动信号的抑制（抗扰性） 两个方面。而对于不同的电力电子系统，其控 制性能对跟随性和抗扰性的要求则有所不同。
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三相静止ABC坐标系下的数学模型
借助电机学的概念，三相定子绕组 A、B、C 在 空间上对称分布且静止不动，ABC坐标系称为三 相静止（3S）坐标系。
交流电机三相对称的静止绕组A 、 B 、C ，通以三相平衡的正弦电流 时， 产生的合成磁动势是旋转磁 动势F，它在空间呈正弦分布，以 同步转速ωs（即电流的角频率）顺 着A-B-C的相序旋转。
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ABC 坐标系下的空间矢量为χa , χb,χc，变换 到αβ坐标系在α轴和β轴的分量分别为xα和 xβ。变换后使各变量的极值不变，可以得 到 3S/2S 坐标变换公式：
在两相静止坐标系中的三相逆 变器电压电流方程分别为
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同步旋转dq坐标系下的数学模型
相互垂直的坐标系 d 轴和 q 轴，同时以ω为角 频率旋转，得到两相同步旋转(dq)坐标系
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解决的方法有两种，一是采用锁相环技术；二 是采用虚拟磁链。
光伏并网逆变器控制策略有4类：
1）基于电压定向的矢量控制 2）基于电压定向的直接功率控制 3）基于虚拟磁链定向的矢量控制 4）基于虚拟磁链定向的直接功率控制
• 在直接电流控制前提下，如果以电网电压矢量进 行定向，通过控制并网逆变器输出电流矢量的幅 值和相位，便可控制并网逆变器的有功、无功功 率，以此实现逆变器的并网控制。
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• 相对于电网电压矢量位置的电流矢量控制， 称为基于电压定向的矢量控制(VOC)。
• 相对于电网电压矢量位置的功率控制，称为 基于电压定向的直接功率控制(V-DPC)。
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两相静止αβ坐标系下的数学模型
把两个相互垂直的坐标轴α 、β 固定，取α轴与 A 相轴重合，β 轴超前α轴 90o，得到坐标系，称为 两相静止(2S)坐标系。
从 ABC 坐标系到αβ坐 标系的变换称为静止三相/ 两相(3S/2S)变换。
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Ua/V 50V/div
Ia/A 5A/div
10ms/div
态
单位功率逆变电压电流波形
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• 图中相应的矢量关系， Ui U L E (U L jLI)
显然通过控制交流侧Ui的幅值和相位，便可控制 UL的幅值和相位，也即控制了电感电流的幅值和 相位。
图 并网逆变器交流侧稳态矢量关系
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间接电流控制：通过控制并网逆变器交流侧电压来 间接控制输出电流矢量。
间接电流控制特点： 无需电流检测，但①对系统参数变化敏感； ②动态 响应速度慢； ③由于没有电流反馈控制，逆变器输 出电流的波形品质难以保证。
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• 直接电流控制方案依据系统动态模型构造电流闭 环控制系统，可提高系统的动态响应速度和输出 电流的波形品质，降低参数变化的敏感度，提高 系统的鲁棒性。
αβ /dq坐标变换公式：
dq坐标系中三相逆 变器的电压电流方 程分别为：
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因此，无论采用何种坐标系，只要在该坐标 系下测量得到电网电压矢量位置即可。
基于电压定向的控制的不足，实际电网电压不 是理想的正弦波，而是存在谐波，所以电压 检测除了基波还有谐波，造成误差。
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并网控制的工作原理：首先由并网控制给定
的有功、 无功功率指令和电网电压矢量，计
算出输出电流矢量I*；
再由 Ui = U L+E ；可得交流侧输出电压指令
Ui * jLI * E 通过SPWM或SVPWM （空间矢量脉宽调制）控制 逆变器输出所需交流侧电压矢量，实现逆变器并网 电流的控制。
如图所示的逆变器：
iinv
iL
S1
S3
S5
ea -
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- e+b +
- ec +
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逆变器与市电并联运行的输出控制可分为电压控制和 电流控制。交流电网可视为容量无穷大的交流电压源, 如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制,则实际上就 是一个电压源与电压源并联运行的系统,这种情况下要 保证系统稳定运行,就必须采用锁相控制技术以实现与 市电同步,在稳定运行的基础上,可通过调整逆变器输
以上两种并网逆变器控制策略的控制性能取决于 电网电压矢量位置的精确获得。
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目前，三相逆变器的控制技术目前主要有三类。
第一类在三相 abc 静止坐标系中对三相瞬时变量 分别进行瞬时值反馈控制； 第二类是基于 Clarke 变换，在两相静止αβ 坐标 系下对α 、β 轴的瞬时变量进行反馈控制； 第三类是基于 Park 变换，在两相dq0 旋转坐标系 中对 d、q 轴的瞬时变量进行反馈控制。
出电压的大小及相位以控制系统的有功输出与无功输
出。但由于锁相回路的响应较慢、逆变器输出电压值 不易精确控制、可能出现环流等问题,如果不采取特殊 措施,一般来说同样功率等级的电压源并联运行方式不 易获得优异性能。如果逆变器的输出采用电流控制,则 只需控制逆变器的输出电流以跟踪市电电压,即可达到 并联运行的目的。由于其控制方法相对简单,因此使用 比较广泛。
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两个基本控制要求：
一是要保持前后级之间的直流侧电压稳定 二是要实现并网电流控制
甚至需要根据指令进行电网的无功功率调节
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• 典型的光伏并网控制策略是通过对逆变器 输出电流矢量的控制，实现并网及网侧有 功、无功的控制。逆变器网侧稳态的矢量 关系如图所示。