单相并网逆变器矢量控制(2015-6-1)

单相并网变换器矢量控制

摘要：在单相并网系统中，通过虚拟相构造空间电压矢量，建立了单相并网变换器在两相静止和两相旋转坐标系下的数学模型。实现了按电网电压定向的电压闭环及有功电流、无功电流闭环的单相功率解耦控制策略。详述了单相SVPWM调制技术原理，并建立仿真模型验证了所设计控制方案的可行性。

关键词：单相并网变换器；矢量控制；功率解耦

中图分类号：

Vector Control strategy of Single-phase Converter

Abstract：The single-phase power decoupling control strategy that have voltage loop and active current and reactive current closed-loop according to the power grid voltage oriented are designed in single phase photovoltaic grid system. The single-phase SVPWM modulation technology principle is expatiated, and the simulation model is established to validate the feasibility of the control scheme.

Keywords：single-phase converter; vector control; Power decoupling

1 引言

单相电压型并网变换器作为可再生能源发电系统和电网的接口设备，其控制目标是实现正弦电流输出并网，并使其工作在单位功率因数模式。电压型并网变换器输出电流波形直接影响到可再生能源发电系统的电能质量，因此，并网变换器输出电流控制策略成为可再生能源并网发电系统研究热点之一。

PI调节算法具有简单、可靠性高、开关频率固定、易于设计等特点，是目前最常用的控制方法之一[1-2]。一般的并网发电系统采用电压外环电流内环的双闭环PI控制来实现直流电压的稳定达到调节并网电流的目的。空间矢量控制方法通过坐标变换，将三相电流变换到与基波频率同步旋转的两相坐标系中，稳态时三相正弦电流变成了直流量，而PI调节器对直流信号的放大倍数为无穷大，电流稳态跟踪误差接近于零，可以实现并网电流的稳态无静差跟踪控制，因此，空间矢量控制方案可以获得高功率因数低谐波的三相并网电流，已广泛应用于三相并网系统[3-4]。

并网变换器功率解耦控制和电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术在电压型三相并网发电系统中能够很好地控制输入电网功率的有功和无功分量，调节并网系统功率因数，提高并网电能质量，提高直流母线电压的利用率，且其技术已经成熟，因此论文借鉴三相并网控制原理，设计了按电网电压定向的

电压闭环及有功电流、无功电流闭环的单相功率解耦矢量控制方案。

2 单相并网变换器矢量控制方案设

计

2.1 构建静止两相坐标系

单相并网系统同三相并网系统有着本质的不同，不能简单的同三相一样进行功率解耦控制。单相并网系统只能检测到一个并网电流和电网电压，如果单相并网系统要采用三相并网系统的控制方法，则需要构造出与并网电压、并网电流同频率并滞后其/2π的正交的电压和电流量，构造的电压和真实并网电压通过旋转变换及锁相环实现对电网电压的定位，即电网电压的相位检测；构造的电流和真实的并网电流通过旋转变换实现变换器输出电流有功、无功分量的解耦和电流的闭环控制。

设电网电压为：

c o s s u U U t αω

= （1） 变换器输出电流设为：

s cos s i i I t αω== （2）

式中：ω 为电网电压角频率；U 为线电压有效值；s I 是变换器输出电流的幅值。

在实际单相系统中只有一个电流变量s

i 和电压变量u α，为了能够用三相的控制策略来控制单相系统，因此需要引入构造的电流变量i β和构造的电压变量u β，且i β与s i 、u β与u α同频率，并i β滞后s i /2π ，U β 滞后

U α /2π，可得：

cos sin s s s i i I t

i I t

αβωω==⎧⎨

=⎩ （3）

s =cos sin u U t u t

αβωω⎧⎪⎨=⎪⎩ （4） 构造的电流电压效果如下图1所示。

图1 构造电流电压效果图 2.2 单相SVPWM 技术原理及实现

与传统的PWM 技术相比，SVPWM 技术具有母线电压利用率高、易于数字化实现、算法灵活便于实现等优点[5]。由于单相并网系统的特点，SVPWM 控制技术在单相并网中应用较少，如果能够将SVPWM 控制技术成功应用于单相光伏并网发电系统中，那么单相光伏并网发电系统就可以获得许多在三相SVPWM 技术控制下才能取得的控制效果，而且还可以将当前三相SVPWM 技术研究所得各种成果，应用于单相并网发电系统。

但是单相系统与三相系统有着本质的区别，所以单相系统不能简单的同三相系统一样进行空间电压矢量分析。按照单相电压型逆变桥开关管的开关通断产生四种离散的输出线电压基本矢量。可以形成四个电压空间矢量，其中有两个电压零矢量（0ν、3ν）；两个非零矢量（1ν、2ν ），两个非零矢量幅值相等，但是相位不同。它们在平面上的分布如图2所示。

图2 矢量空间分布图

按照矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效电压矢量合成期望的输出电压矢量，即是电压空间矢量PWM 的基本思想。

设Ts 为系统PWM 载波周期，T1为当前有效电压矢量作用时间，T0为零矢量作用时间，根据伏秒平衡原理可得

*s 1003s 01x T u T T T T T αννν⎧=+⎨

=+⎩

（,） （5） 式中x ν为逆变输出两个非零矢量x ν或y ν之一。

当10t ωπ≤≤时，2=x νν，则由上式得

1

s 10s 1sin t dc

U T T U T T T

ω⎧=⎪⎨⎪=-⎩

（6）

当1t 2πωπ≤≤，1=x νν，则

1

s 10s 1sin t-dc U T T U T T T ωπ⎧=⎪⎨⎪=-⎩

（） （7） 由式（7）、（8）可确定单相SVPWM 技术的实现方法如图3所示。

0/4

T 0/2T 0/4T 1/2T 1/2

T 0/4

T 1/2T 0/2

T 1/2T 0/4

T [0]

t ωπ∈，[]

t ωππ∈，2001pwm1=4pwm2=+42

T T T ⎧

⎪⎪⎨

⎪⎪⎩010pwm1=+42pwm2=4

T T T ⎧

⎪⎪⎨

⎪⎪⎩图3 单相SVPWM 实现

2.3单相并网变换器控制系统仿真建模

为验证电网电压定向矢量控制方案，在Matlab/Simulink 软件下搭建矢量控制系统仿

真模型进行仿真分析。

图4 并网变换器仿真模型

图5 并网电压电流波形

图6 无功给定iq=-4时，并网电流滞后电压

图7 无功给定iq=4时，并网电流超前电压

图5无功电流给定为零时的并网电压电流仿真波形，可以看出电网电压和变换器输出电流同频反向，证明变换器向电网输送电