三相并网逆变器无差拍电流预测控制方法_杨勇

(k (k
+ +
2) 2)
= =
iα* iβ*
(k) (k)
(6)
42
中国电机工程学报
第 29 卷
相对于电网基频来说，如果采样周期较小，可
以认为
⎧⎨⎩eeαβ
(k (k
+ +
1) 1)
≈ ≈
eα eβ
(k) (k)
(7)
但如果采样频率相对于电网频率不是很低，则
eα (k + 1) 、 eβ (k + 1) 可以通过 eα (k ) 、 eβ (k ) 补偿计 算得到
第 29 卷 第 33 期 40 2009 年 11 月 25 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.29 No.33 Nov. 25, 2009 ©2009 Chin.Soc.for Elec.Eng.
文章编号：0258-8013 (2009) 33-0040-07 中图分类号：TM 464 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40
并网逆变器输出电流在静止α−β 坐标系下的动 态方程(电流参考方向如 1 所示，且三相电网电压 平衡)为
⎧ ⎪ ⎨ ⎪
L L
diα
dt diβ
⎩ dt
= usα = usβ
− eα − eβ
− Riα − Riβ
(1)
式中： iα 、 iβ 为三相并网逆变器输出电流在α-β 坐
标系下α、β分量；usα 、usβ 为三相并网逆变器输出 电压在α-β坐标系下α、β分量；eα 、eβ 为电网电压
在α-β坐标系下α、β分量。 对式(1)进行离散化处理，采样周期为 Ts ，可得
⎧ ⎪iα ⎨ ⎪⎩ iβ
(k (k
+ 1) + 1)
= =
(1 − (1 −
RTs
L RTs
L
)iα )iβ
(k) (k)
+ +
Ts
L Ts
L
[(usα [(usβ
(k) (k)
− −
eα eβ
(k )] (k )]
(2)
三相并网逆变器无差拍电流预测控制方法
杨勇，阮毅，叶斌英，汤燕燕
（上海大学机电工程与自动化学院，上海市 闸北区 200072）
Deadbeat Predictive Current Control Method for Three-phase Grid-connected Inverters
YANG Yong, RUAN Yi, YE Bin-ying, TANG Yan-yan
1 无差拍电流预测的原理
三相电压型的并网逆变器的拓扑结构如图 1 所 示，三相并网逆变器通过滤波电感 L 、电阻 R 和电 网相连。
usa Udc
ia
L
R
ea
usb
ib
usc
ic
eb ec
图 1 三相电压型的并网逆变器 Fig. 1 Three-phase voltage grid-connected inverters
基金项目：台达环境与教育基金会《电力电子科教发展计划》资助 (DRES2007002)。
无功功率。将无差拍电流预测控制和无电网电压传感器控制 相结合，为三相并网逆变器提供一种高性能的解决方案。最 后实验验证了该方案的可行性和正确性。
关键词：无差拍电流预测控制；软件锁相环；虚拟磁链； 解耦控制
0 引言
上的延时，为了提高无差拍控制器的性能，必须进 行补偿。假定被选择的电压矢量在第 k +1 采样时刻 应用，必须去预测第 k +2 采样时刻的电流。将式(3) 再向前推算一步，则第 k +2 采样时刻的电流为
⎪⎧iα ⎪⎪ ⎨ ⎪⎪iβ
(k (k
+ +
2) 2)
= =
(1 −
RTs L
)iα
(k
[(usα (k + 1) −
第 33 期
杨勇等： 三相并网逆变器无差拍电流预测控制方法
41
应用[7-10]。在实际数字化实现无差拍控制策略时， 由于 AD 采样、数字运算以及在一个开关周期计算 的结果往往需在下一个开关周期执行，存在一定的 延时。文献[11-12]采用无差拍电流预测控制，但没 有考虑实际系统的延时。文献[13]采用自适应无差 拍电流预测控制，对实际实现过程中的延时进行补 偿，但控制方法比较复杂。文献[14-15]采用直接功 率控制(direct power control，DPC)。DPC 不需要电 流的旋转变换，通过开关表直接选择合适的矢量实 现对有功功率和无功功率的控制，该控制策略没有 电流内环和 PWM 调制模块，控制方法比较简单， 但这种方法开关频率不确定，因此其滤波电路很难 设计，同时还存在需要很高的开关采样频率、高速 的模数转换等缺点。
(School of Mechatronics Engineering and Automation, Shanghai University, Zhabei District, Shanghai 200072, China)
ABSTRACT: A novel deadbeat predictive current control strategy was adopted according to the characteristics of three-phase grid-connected inverters. The new deadbeat predictive current controller could improve the control delay and reduce the distortion of output currents at the same sampling frequency compared with traditional deadbeat controller without compensation, which will improve the performance of the three-phase grid-connected inverter. In order to further improve reliability and reduce cost for three-phase grid-connected inverters, the paper proposed the novel control strategy without grid voltage sensors based on software phased lock loop (PLL) and virtual grid flux. The virtual grid flux vector orientation was used for the grid-connected inverter, which realizes the decoupling control for d-axis current and q-axis current. The active power and the reactive power were independently controlled by q-axis current and d-axis current. The deadbeat predictive current control strategy and the control strategy without grid voltage sensors were combined, which provide a high performance solution for three-phase grid-connected inverters. The feasibility and correctness of the control strategy are verified by experimental results at last.
随着不可再生能源减少、电力紧张、环境污染 等问题日益严重,可再生能源发电技术引起了人们 的广泛关注[1]。并网逆变器作为可再生能源发电系 统与电网的接口,其控制性能直接影响发电系统输 出的电能质量，因此，并网逆变器在发电中起到很 重要作用。
对于电压型的逆变器，通常采用脉宽调制 (pulse width modulation，PWM)控制技术控制逆变 器的电流。电流控制的主要目标是能够提供一个相 对高的频宽，保证对电流的快速精确跟踪，尽可能 地减少瞬态跟踪的时间。对于电流控制的电压型逆 变器，通常有多种控制策略，如滞环控制、同步旋 转坐标系下的 PI 控制以及无差拍电流预测控制 等[2-4]，滞环控制具有很快的动态响应，但会产生输 出电流失真及很大的稳态误差。在同步旋转坐标系 PI 控制中，逆变器的电压、电流分量变为直流分量， 对直流量可以实现无静差调节，但模型上相互耦 合，对控制的静、动态性能不利[3-4]；同时 PI 控制 器的参数设计与选择要经过一系列的测试才能获得 性能较优的参数。文献[5-6]在静止坐标系下采用谐振 控制器，目的是使输出电流与给定电流相位差为零， 但谐振控制器的设计不直接，要经过一系列的测试。 近年来，无差拍电流预测控制和空间矢量脉宽调制 (space vector pulse width modulation，SVPWM)相结 合，在数字控制的电力电子变换器中得到了广泛的
为了尽可能地消除实际延时带来的控制误差， 采用一种新的无差拍电流预测控制。与传统无差拍 电流预测控制相比，改善了延时对控制精度的影 响，使输出电流的畸变减少，同时对实际的滤波电 感与模型电感误差在不同情况下进行实验。电网电 压传感器用来提供同步旋转坐标变换所需空间角 度信号，锁相环建立在同步旋转坐标系下，在电网 电压不平衡或电网电压畸变时，通过调节锁相环的 带宽，能获到满意的电角度信息[16-18]。由于虚拟电 网磁链信号对测量信号的干扰有很好的抑制，提出 一种基于锁相环和虚拟磁链无电网电压控制策略， 同时，对使用惯性环节取代纯积分环节时所带来的 幅值和相位误差进行适当的补偿。最后，通过实验 结果验证控制策略的正确性和可行性。
⎧⎪eα (k + 1) = eα (k ) cos Δθ − eβ (k )sin Δθ ⎨⎪⎩eβ (k + 1) = eα (k)sin Δθ + eβ (k ) cos Δθ
(8)
式中 Δθ = ωTs ， ω 为电网的角频率。
根据直流母线电压和三相并网逆变器输出电
压的开关状态 Sa 、 Sb 、 Sc ( Si = 1 为相应的上桥臂 导通； Si = 0 为相应的下桥臂导通)，可得到并网逆 变器输出的电压 usα (k ) 、 usβ (k ) 为
如果认为在一个采样周期实现了各相电流对
其电流给定值的无差跟踪，达到了无差拍的控制效
果，则
⎧⎪⎨⎪⎩ iiαβ
(k (k
+ +
1) 1)
= =
iα* iβ*
(k) (k)
(3)
式中： ia*(k ) 、 iβ* (k) 为第 k 采样时刻 α 和 β 电流的 给定值。
由于在实际实现无差拍电流控制时，存在控制
(k
+
2)
+
eα
(k
+
1)
+
⎪ ⎪ ⎨ ⎪⎪usβ
(k
+
1)
eα (k) − usα
=
L Ts
isβ
(k
+
(k)
−
L Ts
isα
(k)
2) + eβ (k + 1) +
(5)
⎪ ⎪ ⎩
eβ
(k
)
−
usβ
(k
)
−
L Ts
isβ
(k
)
则预测第 k +2 采样时刻的电流为 k 采样时刻的给
定值，即
⎧⎪⎨iα ⎪⎩ iβ
KEY WORDS: deadbeat predictive current control; software phase lock loop; virtual flux; decoupling control
摘要：针对三相并网逆变器的特点，采用一种新的无差拍电 流预测控制策略。与传统不加补偿的无差拍控制器相比，可 改善控制上的延时，在相同的采样频率下可使输出电流畸变 减少，提高三相并网逆变器的性能。为进一步提高三相并网 逆变器的可靠性和降低并网逆变器的成本，提出一种基于软 件锁相环和虚拟电网磁链的无电网电压传感器的控制策略。 采用虚拟的电网磁链矢量定向的矢量控制，实现了 d、q 轴 电流的解耦控制，使 q 轴电流控制有功功率，d 轴电流控制
(1
−
RTs L
)iβ
(k
+ 1) + Ts ⋅ L
eα (k + 1)] + 1) + Ts ⋅
L
(4)
⎪⎩
[(usβ (k + 1) − eβ (k + 1)]
将式(4)中的 iα (k + 1) 、 iβ (k + 1) 用式(2)来代替，且 忽略电阻，可得
⎧⎪usα ⎪
(k
+
1)
=
L Ts
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