第6章-光伏并网逆变器控制策略(1)

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1、1济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-246.1 概述概述电力电子变换电力电子变换的主要任务是通过的主要任务是通过控制控制使电力电使电力电子系统完成既定的电能变换，并输出期望的电子系统完成既定的电能变换，并输出期望的电流、电压或功率。流、电压或功率。为克服系统参数变化或扰动对系统输出的影响，为克服系统参数变化或扰动对系统输出的影响，必须引入必须引入闭环控制闭环控制，其典型的控制结构如图所示，其典型的控制结构如图所示。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2济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24 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

2、的跟主要包括对给定信号的跟随（跟随性）和对扰动信号的抑制（抗扰性）随（跟随性）和对扰动信号的抑制（抗扰性）两个方面。而对于不同的电力电子系统，其控两个方面。而对于不同的电力电子系统，其控制性能对制性能对跟随性跟随性和和抗扰性抗扰性的要求则有所不同。的要求则有所不同。S1S3S5+udciea-+ebeciLiinvLLLCdcuP V系统-+-+ig如图所示的逆变器：如图所示的逆变器：3济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24逆变器与市电并联运行的输出控制可分为电压控制和电流控制。交流电网可视为容量无穷大的交流电压源,如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制,则实际上就是一个电压源与电

3、压源并联运行的系统,这种情况下要保证系统稳定运行,就必须采用锁相控制技术以实现与市电同步,在稳定运行的基础上,可通过调整逆变器输出电压的大小及相位以控制系统的有功输出与无功输出。但由于锁相回路的响应较慢、逆变器输出电压值不易精确控制、可能出现环流等问题,如果不采取特殊措施,一般来说同样功率等级的电压源并联运行方式不易获得优异性能。如果逆变器的输出采用电流控制,则只需控制逆变器的输出电流以跟踪市电电压,即可达到并联运行的目的。由于其控制方法相对简单,因此使用比较广泛。4济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24两个基本控制要求：两个基本控制要求：一是要保持前后级之间的直流侧电压稳定一是

4、要保持前后级之间的直流侧电压稳定二是要实现并网电流控制二是要实现并网电流控制甚至需要根据指令进行电网的无功功率调节甚至需要根据指令进行电网的无功功率调节5济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24 典型的光伏并网典型的光伏并网控制策略控制策略是通过对是通过对逆变器逆变器输出电流矢量的控制输出电流矢量的控制，实现并网及网侧有实现并网及网侧有功、无功的控制功、无功的控制。逆变器网侧稳态的矢量。逆变器网侧稳态的矢量关系如图所示。关系如图所示。10ms/div态 单位功率逆变电压电流波形单位功率逆变电压电流波形Ua/V 50V/divIa/A 5A/div6济南大学物理学院济南大学物理学院2

5、022-12-24 图中相应的矢量关系，图中相应的矢量关系，(U L j LI)Ui U L E图图 并网逆变器交流侧稳态矢量关系并网逆变器交流侧稳态矢量关系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，便可控制，便可控制UL的幅值和相位，也即控制了的幅值和相位，也即控制了电感电流电感电流的幅值和的幅值和相位。相位。7济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24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

6、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（空间矢量脉宽调制）控制（空间矢量脉宽调制）控制逆变器输出所需交流侧电压矢量，实现逆变器并网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。电流的控制。8济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24间接电流控制：间接电流控制：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。间接电流控制特点：间接电流控制特点：无需电流检测，但对系统参数变化敏感；无需电流检测，但对系统参数变化敏感；动态动态响应速度慢；响应速度慢；由于没有电

7、流反馈控制，逆变器输由于没有电流反馈控制，逆变器输出电流的波形品质难以保证。出电流的波形品质难以保证。9济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24 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，可提高系统的动态响应速度和输出可提高系统的动态响应速度和输出电流的波形品质，降低参数变化的敏感度，电流的波形品质，降低参数变化的敏感度，提高提高系统的鲁棒性系统的鲁棒性。在在直接电流控制前提下，直接电流控制前提下，如果以如果以电网电压矢量电网电压矢量进进行定向，通过控制并网逆变器输出电流矢量的幅行定向，通过控制并网逆变器输出电流矢量

8、的幅值和相位，便可控制并网逆变器的有功、无功功值和相位，便可控制并网逆变器的有功、无功功率，以此实现逆变器的并网控制。率，以此实现逆变器的并网控制。10济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24 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略的控制性能取决于电网电压矢量位置的精确获得

9、。电网电压矢量位置的精确获得。11济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24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；第二类是基于第二类是基于 Clarke 变换，在两相静止变换，在两相静止 坐标坐标系下对系下对、轴的瞬时变量进行反馈控制；轴的瞬时变量进行反馈控制；第三类是基于第三类是基于 Park 变换，在变换，在两相两相dq0 旋转坐标系旋转坐标系中对中对 d、q 轴的瞬时变量进行反馈控制。轴的瞬时变量进行

10、反馈控制。12济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24三相静止三相静止ABC坐标系下的数学模型坐标系下的数学模型 借助借助电机学电机学的概念，三相定子绕组的概念，三相定子绕组 A、B、C 在在空间上对称分布且静止不动，空间上对称分布且静止不动，ABC坐标系称为三坐标系称为三相静止（相静止（3S）坐标系。）坐标系。交流电机三相对称的静止绕组交流电机三相对称的静止绕组A、B、C，通以三相平衡的正弦电流，通以三相平衡的正弦电流时，时，产生的合成产生的合成磁动势磁动势是旋转磁是旋转磁动势动势F，它在空间呈正弦分布，以，它在空间呈正弦分布，以同步转速同步转速s（即电流的角频率）顺（即电流的角

11、频率）顺着着A-B-C的相序旋转。的相序旋转。13济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24两相静止两相静止坐标系下的数学模型坐标系下的数学模型 把两个相互垂直的坐标轴把两个相互垂直的坐标轴、固定，取固定，取轴与轴与 A 相轴重合，相轴重合，轴超前轴超前轴轴 90o，得到坐标系，称为，得到坐标系，称为两相静止两相静止(2S)坐标系。坐标系。从从 ABC 坐标系到坐标系到坐坐标系的变换称为静止三相标系的变换称为静止三相/两相两相(3S/2S)变换。变换。14济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24ABC 坐标系下的空间矢量为坐标系下的空间矢量为a,b,c，变换，变换到到坐标

12、系在坐标系在轴和轴和轴的分量分别为轴的分量分别为x和和x。变换后使各变量的极值不变，可以得。变换后使各变量的极值不变，可以得到到 3S/2S 坐标变换公式：坐标变换公式：在两相静止坐标系中的三相逆在两相静止坐标系中的三相逆变器电压电流方程分别为变器电压电流方程分别为15济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24同步旋转同步旋转dq坐标系下的数学模型坐标系下的数学模型 相互垂直的坐标系相互垂直的坐标系 d 轴和轴和 q 轴，同时以轴，同时以为角为角频率旋转，得到两相同步旋转频率旋转，得到两相同步旋转(dq)坐标系坐标系 /dq坐标变换公式：坐标变换公式：dq坐标系中三相逆坐标系中三相逆

13、变器的电压电流方变器的电压电流方程分别为：程分别为：16济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24 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位置即可。电网电压矢量位置即可。基于电压定向的控制的不足，实际电网电压不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，所以电压是理想的正弦波，而是存在谐波，所以电压检测除了基波还有谐波，造成误差。检测除了基波还有谐波，造成误差。17济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24解决的方法有两种，一是采用锁相环技术；二解决的方法有两种，一是采用锁相

14、环技术；二是采用虚拟磁链。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18济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24 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，

15、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。19济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24 实际上，控制理论中的实际上，控制理论中的内模原理内模原理给出给出了系统实现无静差跟随的基本要求。了系统实现无静差跟随的基

16、本要求。内模原理告诉我们：如果内模原理告诉我们：如果 r(s)是某反馈控制系统是某反馈控制系统输入信号输入信号和和扰动信号扰动信号不稳定极点构成的关于不稳定极点构成的关于s的的多多项式项式，在该系统反馈控制环路内部引入，在该系统反馈控制环路内部引入1/r(s)之之后，这个反馈控制系统就具有良好的跟踪指令以及后，这个反馈控制系统就具有良好的跟踪指令以及抵消扰动影响的能力，则抵消扰动影响的能力，则1/r(s)就称为内模就称为内模，而，而1/r(s)在系统中复现，称为内模原理。在系统中复现，称为内模原理。换言之：如果在一个稳定的闭环系统中，若控制回路换言之：如果在一个稳定的闭环系统中，若控制回路中包

17、含了与参考信号发生器同样的传递环节，则被中包含了与参考信号发生器同样的传递环节，则被控输出一定能无稳态误差地跟踪参考信号。控输出一定能无稳态误差地跟踪参考信号。20济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24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流可以将三相静止系下的交流量转成同步坐标系下的量转成同步坐标系下的直流量直流量，所以无静差控制与，所以无静差控制与相应坐标系有关。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号，在静止坐标系中，逆变器的指令信号为正弦波信号，因此必须设计相应的调节器结构以满足正弦时变信因此必须设计相应的调节器结构以满足正弦时

18、变信号的无静差控制要求；而号的无静差控制要求；而在同步旋转坐标系中，逆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，变器的指令信号被变换为直流信号，因此可以采用因此可以采用常规的常规的PI调节器调节器设计，以满足对直流信号的无静差设计，以满足对直流信号的无静差控制要求。控制要求。21济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24可见逆变器控制可分为在同步坐标系下实现对直可见逆变器控制可分为在同步坐标系下实现对直流给定信号的无静差控制和在静止坐标系下的流给定信号的无静差控制和在静止坐标系下的实现对正弦给定信号的无静差控制两大类。实现对正弦给定信号的无静差控制两大类。采用基于电流闭环

19、的矢量控制策略，其控制设计主采用基于电流闭环的矢量控制策略，其控制设计主要分为：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的控制设计。制设计。基于同步旋转坐标的控制设计，是利用坐标变换将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静止坐标系中的 交流量变换成同步旋转坐标系下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，为实现对直流的直流量。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有给定信号的无静差控制，其控制环路中必须含有积分环节，一般采用典型的积分环节，一般采用典型的PI调节器实现。调节器实现。22济

20、南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24基于静止坐标系的控制设计，为实现对正弦给定信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模号的无静差跟随，则要求系统基于静止坐标系模型中的开环传递函数包含型中的开环传递函数包含1/(s2+2)环节。一般采环节。一般采用比例谐振用比例谐振(PR)调节器。调节器。23济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24LRIinvS1S3S5ea eb ecS2S4S6LLRRVdcvaiaibicvbvcIpv单级式三相光伏并网逆变器电路结构图单级式三相光伏并网逆变器电路结构图6.2.1 同步坐标系下并网逆

21、变器的数学模型同步坐标系下并网逆变器的数学模型24济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24 图中，三相静止坐标系下并网逆变器的图中，三相静止坐标系下并网逆变器的电压方程电压方程 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),(cbaxdtdILRIEUxxxixabcTXX得：得：),(cbaxdtdILRIEUi23-23021-21-132T25济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24 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坐标系坐标系下

22、的数学模型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换，可得并进行相应的数学变换，可得XTXdq)(cossinsincos)(T RL 0000qdqdqdqdiqdIdtdIILEU26济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24 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)图6-5 同步坐标系下

23、的模型结构图27济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24 前馈解耦前馈解耦的并网逆变器模型结构如图所示。的并网逆变器模型结构如图所示。图6-6 引入前馈解耦的模型结构图28济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24图图示为示为基于电网电压定向的矢量控制系统矢量图基于电网电压定向的矢量控制系统矢量图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29济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24 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

24、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。30济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-2431济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-246.2.3 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）等效成一个流侧（包括滤波器环节和电网）等效成一个虚拟的交流电动

25、机，如图所示。虚拟的交流电动机，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，故又称磁通匝。的乘积，故又称磁通匝。32济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24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Edt可认为是该虚拟电机的气隙磁链可认为是该虚拟电机的气隙磁链33济南大学物理学院济南大学物理学院

26、2022-12-24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34济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24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 E滞后滞后90900 0，若控制并网逆变器运行于单位功率因数状若控制并网逆变器运行于单位功率因数状态时需满足：态时需满足：0deEeq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：35济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24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36济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-

27、24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：37济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24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。6.3 单相并网逆变器的控制单相并网逆变器的

28、控制38济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24一、静止坐标系中单相并网逆变器的控制一、静止坐标系中单相并网逆变器的控制基于基于PI、P调节器的单相并网逆变器的调节器的单相并网逆变器的双环控制系统结构双环控制系统结构39济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24图6-21基于基于PR调节器的单相并网逆变器的控调节器的单相并网逆变器的控制系统结构制系统结构40济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24二、同步旋转坐标系中单相并网逆变器的控制二、同步旋转坐标系中单相并网逆变器的控制在单相系统中，将实际的交流量（如输出电流在单相系统中，将实际的交流量（如输出电流io）

29、延迟延迟900就可以虚拟出一个正交分量就可以虚拟出一个正交分量iIm，而将而将io和虚和虚拟出的正交分量拟出的正交分量iIm合成实际上构成了两相静止坐标合成实际上构成了两相静止坐标系系ReIm中的虚拟矢量中的虚拟矢量I。将将io和和iIm，经同步旋转坐标系经同步旋转坐标系d、q轴分解，即可得到虚拟矢量轴分解，即可得到虚拟矢量I相应的相应的d轴及轴及q轴分量。轴分量。41济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24设单相并网逆变器的网测电流为设单相并网逆变器的网测电流为)cos(0tIio式中：式中：I电流幅值；电流幅值；为初相角；为初相角；0为基波角频率为基波角频率虚拟的变量：虚拟的变

30、量：)sin(0ImtIi坐标变换后，坐标变换后，dq坐标系下的坐标系下的d、q轴变量轴变量id、iq为：为：cossinsincos）（Tiq表示有功电流分量，表示有功电流分量，id表示无功电流分量表示无功电流分量42济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24基于同步旋转坐标系单相并网逆变器的控制基于同步旋转坐标系单相并网逆变器的控制结构如图所示结构如图所示43济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24作业：作业：1.逆变器与市电并联运行的输出控制可分为几逆变器与市电并联运行的输出控制可分为几种？常用的是哪一种？种？常用的是哪一种？2.简述并网控制的基本工作原理简述并网控制的基本工作原理44济南大学物理学院济南大学物理学院2022-12-24