单相逆变器并网工作原理分析与仿真

基于定频积分的逆变器并网控制

1.1 引言

本章探索了一种基于定频积分控制的可选择独立工作和并网运行两种工作模式的光伏逆变器控制方案，对其工作原理以及并网电流纹波影响因素进行了理论分析，推导了控制方程，并给出了计算机仿真分析结果。

1.2 逆变器并网控制系统总体方案设计

如本文第一章所述，并网型逆变器主要应用在可再生新能源并网发电技术中，因此，对逆变器并网控制方案的研究也必须结合新能源发电的特点，达到最大限度的利用可再生资源。作者设计了一种既可以控制逆变器工作在并网送电状态，又可以控制逆变器工作在独立带载状态的逆变器并网控制系统。逆变器的具体工作模式由工作场合和用户需求决定，系统具有多功能。

本系统采用以定频积分为核心的控制方案。逆变器并网工作时采用基于定频积分的电流控制方案；独立工作时，在并网电流控制方案的基础上加入电压PI外环，实现输出电压控制。定频积分控制不仅将并网输出电流控制和独立输出电压控制有机地融合在一起，而且使系统在两种工作模式下都具有良好的性能。

1.3 定频积分控制的一般理论

所谓定频积分控制是指保持电路工作的开关频率f s不变，而通过积分器和D触发器来控制开关器件在每个周期内的导通时间T on和关断时间

T off。图1-1所示为定频积分控制的一般原理图。

定频积分控制是基于单周期控制的一种控制方法[43~45]。单周期控制是

一种非线性控制技术，该控制方法的突出特点是：无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量（通常为斩波波形）的平均值恰好等于或正比于给定值，即能在一个开关周期内，有效的抵制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也

k(t)

0 t T o n T off t T S (1-1) 没有暂态误差，这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场合，比如脉宽 调制、谐振、软开关式的变换器等。下面具体从理论上分析基于单周控制 的定频积分控制的一般原理和特点。

假设开关运行开关频率为f S 1 T S ，开关函数k(t)为：

式中T on 为开关导通时间，T off 为开关关断时间，T on

T off T $。 在每一开关周期内，开关导通时间为 T on ，关断时间为T off ，占空比为

D T on.T s ，给定信号V ref (t)，开关输入信号为x(t)，输出信号为y(t)，它

是由输入信号x(t)经开关斩波后形成的信号，因此又称为开关变量。y(t)与 x(t)，k(t)三者之间的关系如下:

y(t) k(t) x(t) (1-1)

假设开关频率远大于输入信号 X(t)及给定信号V ref (t)的频率，即在一 个开关周期内，X (t)、Vy f (t)均认为是常数。对于传统控制而言，占空比D 由给定信号V ref (t)线性调制而成，可写为：

d(t) K 1 V ref (t)

(1-3)

y(t) 图1-1 定频积分控制的工作原理图 Fig.1-1 Schematic diagram of unified constant-frequency integration control

K 1 x(t) V ref (t) (1-4) 式中K 1为常数。因此输出信号的平均值 Y(t)为：

1 T S

1 DT S Y(t) 0x(t) k(t)dt x(t) 0 dt

T S T S

上式表明：应用传统电压反馈控制，输出信号

y(t)是输入信号x(t)与 给定信号V ref (t)的乘积。因此，输入信号x(t)的变化必然导致输出信号y(t) 的变化，开关是非线性的。

对于单周控制，其原则是保证在每一开关周期内，输入信号

x(t)的积 分值恰好等于给定信号 V ref ⑴，即：

T S

0x(t) dt V ref (t)

(1-5)

将式(1-1)、(1-3) 代入上式整理得：

1 DT s 1

x(t) dt v T S 0 T S

ref (t) (1-6) 由于开关周期T S 固定，则输出信号在每一个开关周期内的平均值 Y(t) 等于给定信号V ref (t)，即为：

1

DT S 1 Y(t)

0x(t) dt V ref (t) K 2 V ref (t) (1-7) T S

T S 式中K 2为常数。

因此，开关输出信号 y(t)只需在一个开关周期内便可跟踪给定信号 V ref (t)，基于这种思想的非线性技术称为单周期控制技术，采用这种控制 技术，开关输出信号丫⑴只与给定信号V ref (t)有关，即：

y(t) K 2 V ref (t) (1-8)

开关输出丫⑴完全抑制了输入干扰，线性的再现了给定信号

V ref (t)， 因此，基于单周期控制技术的定频积分控制可以将一个非线性开关变成一 个线性开关。这种控制可以有效抑制输入信号的扰动，使得系统的输出迅 速跟踪输入给定的变化，系统具有优良的抗扰动性和跟随性能。

1.4 基于定频积分的并网控制方案

1.4.1 并网工作原理分析与控制方程推导

本文选择电压源型全桥逆变器作为研究对象。图1-2所示为电压源电

流控制模式下的单相逆变器并网系统的等效电路示意图。

逆变器并网控制的目标是：控制逆变电路输出的交流电流为稳定的、与电网同频同相的正弦波，也就是实现单位功率因数并网送电。本文采用定频积分控制实现逆变器的并网控制。逆变器输出波形调制采用双极性调制策略。所谓双极性调制指的是逆变器桥路两桥臂交叉对应开关V1和V4

V2和V3分别各由一个信号控制，两个信号相位相反。并网控制方程的推导过程如下。

图1-2 单相全桥逆变器并网系统等效电路

Fig.1-2 Sin gle phase grid-c onn ected full-bridge in verter system

为简化分析，首先作如下假设：

(1) 直流侧电压保持恒定。

(2) 开关频率远远大于电网频率和逆变器输出电流的频率。

设开关频率为f s,开关周期为T S1 f S，开关导通占空比为D，U L为逆变器输出滤波电感上的电压，U d为直流侧电压，u S为电网电压，i S为逆变器电感电流，由于逆变器采用双极性调制，一个开关周期内，电感两端的电压满足：

在0

U L U d U s (1-9) 在DT S VXT S期间，器件V2、V3导通，V1、V4关断，有：