第6章 光伏并网逆变器控制策略(2)

1、1济南大学物理学院济南大学物理学院第六章第六章 光伏并网逆变器控制策略光伏并网逆变器控制策略两个基本控制要求：两个基本控制要求：一是要保持前后级之一是要保持前后级之间的直流侧电压稳定间的直流侧电压稳定二是要实现并网电流二是要实现并网电流控制控制 电力电子系统的电力电子系统的控制控制主要包括对给定信号的主要包括对给定信号的跟随（跟随（跟随性跟随性）和对扰动信号的抑制（）和对扰动信号的抑制（抗扰抗扰性性）两个方面。）两个方面。1iiidcc2济南大学物理学院济南大学物理学院显然通过显然通过控制交流侧控制交流侧Ui的幅值和相位的幅值和相位，便可，便可控制控制UL的幅值和相位，也即控制了的幅值和相位，

2、也即控制了电感电流电感电流的幅值和相位。的幅值和相位。3济南大学物理学院济南大学物理学院再由再由 Ui = U L+E ；可得交流侧输出电压指令；可得交流侧输出电压指令Ui * j LI * E并网控制的工作原理：并网控制的工作原理：首先由并网控制给定首先由并网控制给定的有功、的有功、 无功功率无功功率指令指令和和电网电压矢量电网电压矢量，计，计算出输出电流矢量算出输出电流矢量I*；通过通过SPWM或或SVPWM 控制逆变器输出所需交流侧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。电压矢量，实现逆变器并网电流的控制。4济南大学物理学院济南大学物理学院间接电流控制：间接电流控制：

3、通过控制并网逆变器交流侧电压来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。间接控制输出电流矢量。直接电流控制直接电流控制方案依据方案依据系统动态模型构造电流闭系统动态模型构造电流闭环控制系统，环控制系统，5济南大学物理学院济南大学物理学院 相对于电网电压矢量位置的电流矢量控制，相对于电网电压矢量位置的电流矢量控制，称为称为基于电压定向的矢量控制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基于电压定向的直接功率控制(V-DPC)。以上两种并网逆变器控制策略的控制性能取决于以上两种并网逆变器控制策

4、略的控制性能取决于电网电压矢量位置的精确获得。电网电压矢量位置的精确获得。6济南大学物理学院济南大学物理学院目前，三相逆变器的控制技术目前主要有三类。目前，三相逆变器的控制技术目前主要有三类。 第一类在三相第一类在三相 abc 静止坐标系中对三相瞬时变量静止坐标系中对三相瞬时变量分别进行瞬时值反馈控制；分别进行瞬时值反馈控制； 第二类是在两相静止第二类是在两相静止 坐标系下对坐标系下对 、 轴的瞬轴的瞬时变量进行反馈控制；时变量进行反馈控制； 第三类是在第三类是在两相两相dq 旋转坐标系中对旋转坐标系中对 d、q 轴的瞬轴的瞬时变量进行反馈控制。时变量进行反馈控制。7济南大学物理学院济南大学物

5、理学院 因此，无论采用何种坐标系，只要在该坐标因此，无论采用何种坐标系，只要在该坐标系下测量得到系下测量得到电网电压矢量电网电压矢量位置位置即可。即可。 基于电压定向的控制的不足，实际电网电压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。压检测除了基波还有谐波，造成误差。8济南大学物理学院济南大学物理学院解决的方法有两种，一是采用锁相环技术；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。二是采用虚拟磁链。光伏并网逆变器控制策略有光伏并网逆变器控制策略有4类：类：1）基于电压定向的矢量

6、控制）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）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）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）基于虚拟磁链定向的直接功率控制9济南大学物理学院济南大学物理学院 对于逆变器控制而言，其对于逆变器控制而言，其指令信号指令信号常为常为工频工频正弦正弦信号，一般要求其信号，一般要求其输出信号输出信号实现对给定正弦信号实现对给定正弦信号的的无静差无静差控制。控制。 在闭环系统中，在闭环系统中，无静差控制无静差控制这一目标通常是通过这一目标通常是通过调节器的无静差调节来完成的，而调节器的无静调节器的无静差调节来完成的，而

7、调节器的无静差调节主要由差调节主要由调节器的结构调节器的结构所决定的。所决定的。6.2 电流闭环的矢量控制策略电流闭环的矢量控制策略无静差原理控制是指被控对象稳态、无差地运行无静差原理控制是指被控对象稳态、无差地运行在平衡状态或跟踪某一目标信号上。在平衡状态或跟踪某一目标信号上。 10济南大学物理学院济南大学物理学院通过通过abc-dq的坐标变换的坐标变换可以将三相静止系下的交可以将三相静止系下的交流量转成同步坐标系下的直流量，所以无静差控流量转成同步坐标系下的直流量，所以无静差控制与相应坐标系有关。制与相应坐标系有关。在静止坐标系中，逆变器的指令信号为正弦波信在静止坐标系中，逆变器的指令信号

8、为正弦波信号，因此必须设计相应的调节器结构以满足正弦号，因此必须设计相应的调节器结构以满足正弦时变信号的无静差控制要求；而时变信号的无静差控制要求；而在同步旋转坐标在同步旋转坐标系中，逆变器的指令信号被变换为直流信号系中，逆变器的指令信号被变换为直流信号，因，因此可以采用常规的此可以采用常规的PI调节器调节器设计，以满足对直流设计，以满足对直流信号的无静差控制要求。信号的无静差控制要求。11济南大学物理学院济南大学物理学院 可见可见逆变器控制逆变器控制可可分为分为在在同步坐标系下同步坐标系下实现对实现对直流直流给定信号的无静差控制和在给定信号的无静差控制和在静止坐标系静止坐标系下下的实现对的实

9、现对正弦正弦给定信号的无静差控制给定信号的无静差控制两大类两大类。采用基于电流闭环的矢量控制策略，其控制设计采用基于电流闭环的矢量控制策略，其控制设计主要分为：主要分为：基于同步旋转坐标基于同步旋转坐标以及以及基于静止坐标基于静止坐标的控制设计。的控制设计。 基于同步旋转坐标的控制设计，是利用坐标变换基于同步旋转坐标的控制设计，是利用坐标变换将静止坐标系中的交流量变换成同步旋转坐标系将静止坐标系中的交流量变换成同步旋转坐标系下的直流量。在同步旋转坐标系中，为实现对直下的直流量。在同步旋转坐标系中，为实现对直流给定信号的无静差控制，其控制环路中必须含流给定信号的无静差控制，其控制环路中必须含有积

10、分环节，一般采用典型的有积分环节，一般采用典型的PI调节器实现。调节器实现。12济南大学物理学院济南大学物理学院 基于静止坐标系的控制设计，为实现对正弦给定基于静止坐标系的控制设计，为实现对正弦给定信号的无静差跟随，则要求系统基于静止坐标系信号的无静差跟随，则要求系统基于静止坐标系模型中的开环传递函数包含模型中的开环传递函数包含1 /( s2+2 ) 环节。一般环节。一般采用采用比例谐振比例谐振(PR)调节器调节器。13济南大学物理学院济南大学物理学院IinvS1S3S56.2.1 同步坐标系下并网逆变器的数学模型同步坐标系下并网逆变器的数学模型14济南大学物理学院济南大学物理学院 图中，三相

11、静止坐标系下并网逆变图中，三相静止坐标系下并网逆变器的电压方程器的电压方程 由三相静止由三相静止abc坐标系下的数学模型转换坐标系下的数学模型转换为两相静止为两相静止坐标下的数学模型坐标下的数学模型XTXdq)(得：得：) , ,( c b axdtdILR IEUxxxix15济南大学物理学院济南大学物理学院 再由再由两相静止两相静止坐标坐标下的数学模型变换成下的数学模型变换成同步旋转同步旋转dq坐标坐标系下的数学模型系下的数学模型由由上面两式上面两式并进行相应的数学变并进行相应的数学变换，可得换，可得23-23021-21-132T RL 0000qdqdqdqdiqdIdtdIILEU1

12、6济南大学物理学院济南大学物理学院 零初始状态下，对上式进行零初始状态下，对上式进行拉氏变换拉氏变换，可得同，可得同步旋转步旋转dq坐标系下并网逆变器坐标系下并网逆变器频域的数学模型频域的数学模型，对应的模型结构如图所示。对应的模型结构如图所示。Ud (s) Ed (s) L0 Iq (s) (sL R)Id (s)Uq (s) Eq (s) L0 Id (s) (sL R)Iq (s)17济南大学物理学院济南大学物理学院 前馈解耦前馈解耦的并网逆变器模型结构的并网逆变器模型结构如图所示。如图所示。图6-6 引入前馈解耦的模型结构图18济南大学物理学院济南大学物理学院图图示为示为基于电网电压定

13、向的矢量基于电网电压定向的矢量控制系统矢量图控制系统矢量图6.2.2 基于电压定向的矢量控制基于电压定向的矢量控制19济南大学物理学院济南大学物理学院 基于电网电压定向的矢量控制基于电网电压定向的矢量控制(VOC)。 由由瞬时功率瞬时功率理论，系统的瞬时有功功率理论，系统的瞬时有功功率p、无、无功功率功功率q分别为分别为在电网电压定向的同步旋转坐标系中，在电网电压定向的同步旋转坐标系中，ed=|E|，eq=0。简化为。简化为若不考虑电网电压若不考虑电网电压ed的波动，则通过控制就可分别的波动，则通过控制就可分别控制并网逆变的有功、无功功率。控制并网逆变的有功、无功功率。20济南大学物理学院济南

14、大学物理学院dcdddcuiei2321济南大学物理学院济南大学物理学院 基于电网电压定向的矢量控制基于电网电压定向的矢量控制(VOC)。 其中的其中的电流内环电流内环、直流电压外环直流电压外环控制结构分别如图所控制结构分别如图所示。示。22济南大学物理学院济南大学物理学院1iiidccdddcdcieuip23abcTXXcossinsincos)( T功率功率稳态时稳态时DCdcUu23济南大学物理学院济南大学物理学院6.2.3 基于虚拟磁链定向的矢量控制基于虚拟磁链定向的矢量控制虚拟磁链定向的基本出发点是将并网逆变器交虚拟磁链定向的基本出发点是将并网逆变器交流侧（包括滤波器环节和电网）等

15、效成一个流侧（包括滤波器环节和电网）等效成一个虚拟的虚拟的交流电动机交流电动机，如图所示。，如图所示。磁链：导电线圈或电流回路所链环的磁通量。磁链：导电线圈或电流回路所链环的磁通量。磁链等于导电线圈匝数磁链等于导电线圈匝数N与穿过该线圈各匝的与穿过该线圈各匝的平均磁通量平均磁通量的乘积，故又称的乘积，故又称磁通匝磁通匝。24济南大学物理学院济南大学物理学院图中，图中，RS、L可分别看作是该交流电机的定子可分别看作是该交流电机的定子电阻和定子漏感。电阻和定子漏感。三相电网电压矢量三相电网电压矢量E经过积分后所得的矢量经过积分后所得的矢量可认为是该虚拟电机的气隙可认为是该虚拟电机的气隙磁链磁链25

16、济南大学物理学院济南大学物理学院基于虚拟磁链定向的矢量控制的矢量图基于虚拟磁链定向的矢量控制的矢量图如图所示如图所示)sin(0ImtIi26济南大学物理学院济南大学物理学院 由于虚拟磁链矢量由于虚拟磁链矢量比电网电压矢量比电网电压矢量E滞后滞后900，若控制并网逆变器运行于单位功率因，若控制并网逆变器运行于单位功率因数状态时需满足：数状态时需满足：)cos(0tIio这样并网逆变器的瞬时功率为这样并网逆变器的瞬时功率为：0de与电压定向的矢量控制方案中的与电压定向的矢量控制方案中的d、q轴电流轴电流分量的有功、无功定义正好相反。分量的有功、无功定义正好相反。27济南大学物理学院济南大学物理学

17、院基于虚拟磁链定向的矢量控制的结构基于虚拟磁链定向的矢量控制的结构如图所示如图所示28济南大学物理学院济南大学物理学院由于采用磁链矢量由于采用磁链矢量定向，其磁链矢量的定向，其磁链矢量的位置角位置角由由坐标系下的电网电压坐标系下的电网电压、轴分量轴分量e、e 积分所得的积分所得的、 计算而计算而得，即：得，即：29济南大学物理学院济南大学物理学院 大功率光伏并网逆变器的滤波器。大功率光伏并网逆变器的滤波器。 逆变器的容逆变器的容量较大，采用较低的开关频率以降低量较大，采用较低的开关频率以降低开关损耗开关损耗和和电磁干扰电磁干扰。同样谐波标准和功率器件开关频。同样谐波标准和功率器件开关频率下，相

18、比于率下，相比于L滤波电路滤波电路，LCL滤波电路滤波电路可采用可采用较小的滤波电感设计，有效减小系统体积，并较小的滤波电感设计，有效减小系统体积，并降低能量损耗。降低能量损耗。6.3 LCL滤波的并网逆变器控制策略滤波的并网逆变器控制策略ea-+P V系统30济南大学物理学院济南大学物理学院 滤波器输入电压对输出电流滤波器输入电压对输出电流的的传递特性传递特性LCL滤波器：滤波器：图6-12 L型滤波器与LCL型滤波器结构L滤波器：滤波器：31济南大学物理学院济南大学物理学院 LCL滤波器特性：滤波器特性：LCL滤波电路具有滤波电路具有三阶特性三阶特性，其频率响应在谐振频率处存在其频率响应在

19、谐振频率处存在谐振尖峰谐振尖峰，且相，且相位发生位发生180跳变，易造成并网变换器振荡甚至跳变，易造成并网变换器振荡甚至引起不稳定，因此引起不稳定，因此LCL并网滤波器必须对滤波并网滤波器必须对滤波电路的谐振尖峰进行电路的谐振尖峰进行阻尼阻尼。三阶。三阶LCL滤波电路滤波电路的谐振频率计算：的谐振频率计算：可见可见 LCL滤波电路中的滤波电路中的3个储能元件参数都对个储能元件参数都对LCL滤波电路的谐振频率有影响。滤波电路的谐振频率有影响。32济南大学物理学院济南大学物理学院 LCL滤波滤波器特性器特性图图6-13 LCL型频率特型频率特性性33济南大学物理学院济南大学物理学院 无源阻尼法无源

20、阻尼法在滤波器的回路中串入电阻来增在滤波器的回路中串入电阻来增加系统的阻尼加系统的阻尼 根据电阻与元件连接方法的不同，根据电阻与元件连接方法的不同，可以分为图所示的几种无源阻尼方法。可以分为图所示的几种无源阻尼方法。图6-14 无源阻尼电阻安装位置 电容支路串联电阻电容支路串联电阻(即即R1=0、 R2= 、 R30、 R4 = )时的方案，无论从控制特性、滤波性能、时的方案，无论从控制特性、滤波性能、阻尼特性以及功率损耗的角度分析，其综合性阻尼特性以及功率损耗的角度分析，其综合性能要优于其他能要优于其他3种，工程上一般采用这种无源阻种，工程上一般采用这种无源阻尼法。尼法。34济南大学物理学院

21、济南大学物理学院图图6-15 Ig(s)/U(s)随电容串联电阻变化的博德随电容串联电阻变化的博德图图35济南大学物理学院济南大学物理学院 有源阻尼法有源阻尼法无需实际的阻尼电阻，而是通无需实际的阻尼电阻，而是通过系统的过系统的控制算法控制算法来实现阻尼。来实现阻尼。 基本思想：基本思想：当原系统博德图出现正谐振峰时，当原系统博德图出现正谐振峰时，利用算法产生一个负谐振峰与之叠加。利用算法产生一个负谐振峰与之叠加。图图6-16 有源阻尼原理示有源阻尼原理示意意36济南大学物理学院济南大学物理学院 有源阻尼法有源阻尼法 只是通过算法增加系统阻尼，没有附加阻尼电只是通过算法增加系统阻尼，没有附加阻

22、尼电 阻，因此没有增加损耗，从而提高了系统效率。阻，因此没有增加损耗，从而提高了系统效率。 一般需要额外的电压或电流传感器、且控制系一般需要额外的电压或电流传感器、且控制系 统结构相对复杂。统结构相对复杂。 可分为可分为虚拟电阻法虚拟电阻法、陷波器校正法陷波器校正法、和、和双带通双带通 滤波器法滤波器法等。等。37济南大学物理学院济南大学物理学院单相并网逆变器由于只有单一的交流量，一般单相并网逆变器由于只有单一的交流量，一般引入引入虚拟的正交电流虚拟的正交电流，构成虚拟的两相正交的，构成虚拟的两相正交的交流系统，也可与三相系统那样，实现在交流系统，也可与三相系统那样，实现在静止静止坐标系坐标系或或同步坐标系同步坐标系中的控制策略。中的控制策略。6.4 单相并网