基于預測電流控制的T型三電平并網(wǎng)逆變器研究

作者簡(jiǎn)介：雷蘭(1992—)，女，通訊作者，助理工程師，研究方向：電力電子變換器、新能源充電樁和電力營(yíng)銷(xiāo)等，郵件：1016158763@qq.com。

0   引言

隨著(zhù)分布式能源的發(fā)展，逆變器是新能源系統與電網(wǎng)接口的核心關(guān)鍵設備，其拓撲結構和控制方式直接決定了分布式系統性能的優(yōu)劣^[1]。對于三電平拓撲結構而言，該拓撲結構具有逆變轉換效率高、開(kāi)關(guān)器件的電壓應力等級低、諧波含量和dv/dt 較低等優(yōu)點(diǎn)^[2-3]，而T 型拓撲結構比傳統的NPC(Neutral Point Clamped) 拓撲結構具有二極管數量少、轉換效率高、功率損耗均勻等優(yōu)點(diǎn)^[4-5]。

對于T 型并網(wǎng)逆變器而言，輸出電流控制是逆變器接入并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)^[6]，目前最主要的控制方法包括滯環(huán)控制、PI(Proportional Integral) 控制和PR(Proportional Resonance) 控制等。滯環(huán)控制方法雖具有動(dòng)態(tài)響應速度較快的優(yōu)點(diǎn)，但在其控制方式下輸出的并網(wǎng)電流波形容易失真，而且采樣頻率較高，加大了并網(wǎng)側濾波電感設計難度^[7]。在同步坐標系的PI 控制方式下，逆變器系統的輸出電流以及電網(wǎng)電壓或者輸出電壓分量直接被采樣并參與數字控制，由于數學(xué)模型之間存在耦合的緣故，難以實(shí)現輸出電流的無(wú)靜差跟蹤。在靜止坐標系的PR控制方式下，雖能實(shí)現輸出電流的無(wú)靜差跟蹤，但PR控制器的參數難以設計^[8]。

基于上述分析，本文提出了預測電流控制和功率前饋的雙閉環(huán)控制策略，一方面克服了電網(wǎng)電流諧波對系統的造成干擾的問(wèn)題，降低了并網(wǎng)輸出電流的諧波含量(Total Harmonic Distortion, THD)，另一方面改善了整個(gè)并網(wǎng)逆變器系統的動(dòng)態(tài)以及靜態(tài)性能。最后，通過(guò)一臺23 kW 的逆變器樣機驗證了所提方法及控制策略的正確性與有效性。

1   T型逆變器系統及數學(xué)模型

圖1 所示為三相三線(xiàn)制T 型并網(wǎng)逆變器的主電路拓撲結構。其中：Udc 為直流電源電壓；idc 為直流側輸出電流；C₁ 和C₂ 為直流側均壓電容(C = C1 = C2)；U_C1和U_C2 為逆變器正、負母線(xiàn)電壓；Lj 為橋臂濾波電感；Qj1- j4 為功率開(kāi)關(guān)器件；ij 為逆變器輸出交流電流；ej為電網(wǎng)電壓( 全文中的下標j = a，b，c)。

定義Sj 為開(kāi)關(guān)變量，其物理含義為三相橋臂的輸出狀態(tài)。表1 所示為三相橋臂中a 相的開(kāi)關(guān)變量S_a對應該橋臂上各功率開(kāi)關(guān)管的瞬時(shí)開(kāi)關(guān)狀態(tài)^[9]，b 相橋臂和c 相橋臂與a 相橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)類(lèi)似。

表1 a相開(kāi)關(guān)狀態(tài)表

根據對表1 中a 相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行研究分析，三相各橋臂電路類(lèi)似于一個(gè)單刀三擲開(kāi)關(guān)，可用開(kāi)關(guān)函數Sj表示，詳細表達式為：

其中：i = P，O，N 分別表示各橋臂的三條支路。

根據基爾霍夫電流定律(Kirchhoff’s Current Law,KCL)，可得T 型三電平并網(wǎng)逆變器在三相靜止abc 坐標系下的數學(xué)模型為^[10]：

式中：r 為輸出濾波電感的等效內阻；ujo 為三相三線(xiàn)制電網(wǎng)中性點(diǎn)到橋臂輸出點(diǎn)之間的電壓；SjP 和SjN為開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

根據三相平衡原理ea + eb + ec = 0，可知三相T 型三電平并網(wǎng)逆變器的輸出電流在兩相旋轉d-q 坐標系下的數學(xué)模型為：

式中：SdP 和SqN 為開(kāi)關(guān)狀態(tài)；ed，eq 和id，iq 分別為旋轉d-q 坐標系下的電網(wǎng)電壓和輸出并網(wǎng)電流；ud和uq 為旋轉d-q 坐標系下的逆變器橋臂輸出電壓。根據輸出側狀態(tài)方程(3)，可以看出逆變器在d-q坐標系下的數學(xué)模型中，d 軸和q 軸之間的函數表達式存在著(zhù)耦合關(guān)系，為了實(shí)現d-q 軸下的解耦控制，需要在輸出電網(wǎng)交流電壓中引入前饋控制量-ωid 和ωiq，使其與橋臂輸出電壓分量ud 和uq 中的耦合項相互抵消。

2   逆變器控制策略

圖2 所示為系統整體控制框圖。其中：電壓外環(huán)的作用是對逆變器的直流側母線(xiàn)電壓進(jìn)行直接控制；電流內環(huán)的作用則是按照電壓外環(huán)輸出的電流參考指令進(jìn)行相應的電流控制，從而改善控制對象；功率前饋控制則提高了逆變器系統的動(dòng)態(tài)響應能力；預測電流控制則降低了輸出電流諧波；單載波調制則是為了簡(jiǎn)化控制并易于數字化控制的實(shí)現。

2.1 功率前饋控制

根據瞬時(shí)功率理論，可得兩相旋轉d-q 坐標系下的逆變器輸出瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率表達式為

由于能量守恒，逆變器的輸入功率和額定輸出功率處于平衡狀態(tài)，當無(wú)功功率趨于零或者等于零時(shí)，此時(shí)逆變器正常工作在單位功率因數狀態(tài)下，即僅向電網(wǎng)輸送有功功率，此時(shí)eq = 0。為了保持直流側輸出電壓的穩定，不受并網(wǎng)電壓和交流負載變化的干擾，提出一種功率前饋的控制方法，同時(shí)也提高了系統輸出并網(wǎng)電流的靜態(tài)性能。當電網(wǎng)電壓保持穩定且忽略逆變器自身的損耗時(shí)，逆變器系統的輸入功率與并網(wǎng)輸出的功率相等，此時(shí)前饋電流可表示為：

2.2 預測電流控制

由于傳統的控制方法存在采樣延遲和控制精度低的缺點(diǎn)。在利用DSP 進(jìn)行樣機實(shí)現時(shí)發(fā)現，硬件采樣電路中的濾波電路會(huì )對電流造成延時(shí)，而且輸出指令參考電流的計算也會(huì )造成相應的延時(shí)，這對并網(wǎng)電流質(zhì)量造成巨大的影響。為了克服延時(shí)造成的這些問(wèn)題，必須對電流的采樣過(guò)程及計算值進(jìn)行預測處理。本文采用的預測電流控制是基于當前的電流采樣值來(lái)預測下一時(shí)刻的電流作為反饋電流值，這樣就可以消除采樣和計算造成的延時(shí)。

圖3 所示為電流采樣策略，兩次電流的采樣是在DSP(Digital Signal Processor) 定時(shí)器的周期中斷和下溢中斷間隔期間完成的。根據硬件電路和所提采樣方法，最佳預測時(shí)間為T(mén)_s /2(T_s 為開(kāi)關(guān)周期)，預測公式推導如圖4。其中：xk 為采樣時(shí)間；ik 為采樣時(shí)間對應的采樣電流；i4 為當前電流采樣值；im 為預測電流值；xk-xk-1=Ts；xm-x4=Ts/2。

根據泰勒展開(kāi)式可得：

在逆變器系統中，采樣時(shí)間間隔非常短，則T_s很小。因此在計算導數時(shí)可由線(xiàn)性公式近似替代，可知：

當Δt = T_s /2 時(shí)，將式(7) 代入(6) 中可得：

通過(guò)泰勒公式進(jìn)行預測控制，該控制方式相對簡(jiǎn)單、數字化功能實(shí)現較容易，且使系統具備良好的動(dòng)態(tài)以及靜態(tài)響應能力。

3   實(shí)驗結果與分析

為了驗證預測電流控制策略和前饋功率控制的有效性，設計并搭建了額定功率為23 kW 的T 型三電平逆變器樣機。表2 為整個(gè)逆變系統的實(shí)驗參數。

當逆變器處于額定輸出功率(23 kW) 工作狀態(tài)時(shí)，電網(wǎng)交流a 相電壓和輸出并網(wǎng)電流的實(shí)驗波形如圖5 所示。從實(shí)驗波形可以看出，輸出并網(wǎng)電流的波形高度正弦化，并與電網(wǎng)交流電壓同頻率同相位。通過(guò)結果分析可知，功率因數為0.999 3，且電網(wǎng)電流的THD 為1.197%。

圖6 所示為逆變器在直流側功率突然發(fā)生變化時(shí)直流母線(xiàn)電壓和并網(wǎng)電流的動(dòng)態(tài)性能?？梢钥闯?，采用前饋功率控制策略可以降低暫態(tài)過(guò)程，實(shí)現了直流母線(xiàn)電壓調節的高性能。

圖7 所示為T(mén) 型三電平逆變器在17 kW 負載條件下的輸出電流和電網(wǎng)相電壓波形。通過(guò)實(shí)驗結果比較可知，預測電流控制比傳統電流反饋控制的并網(wǎng)輸出電流THD 較低。

4   結語(yǔ)

本文介紹了一種高壓大功率的三相T 型三電平并網(wǎng)逆變器。通過(guò)預測電流控制策略達到了降低輸出并網(wǎng)交流電流THD 的目的，采用功率前饋控制方法則提高了逆變器系統的動(dòng)態(tài)以及靜態(tài)性能。樣機實(shí)驗結果進(jìn)一步驗證了所提方法和控制策略的正確性及可行性，體現出該逆變系統具有低成本、易于控制等特點(diǎn)。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年1月期）