单相并网逆变器功率控制的实现

第４ｌ卷第９期

２００７年９月

电力电子技术

ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

Ｖｏｌ，４１．Ｎｏ．９Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ．２００７

单相并网逆变器功率控制的实现

曹陆萍，沈国桥，朱选才，徐德鸿

（浙江大学。浙江杭州３１００２７）

摘要：针对利用ＬＣＬ滤波器的并嘲逆变器，当其采用加权电流控制时．在小电流情况下存在幅值误差和相位误差，并且由于引进了电网电鹾前馈，其电流控制易受电网电压影响。为此，提出了一种采用有功１无功电流控制的策略，以提高逆变器注入电网的电流幅值精度和功率因数，并免受电网电雎等因素的影响。给出了该控制策略的理论依据和实现方法，并通过对５ｋＶＡ燃料电池逆变并网发电电源的试验．验证了该控制策略的正确性和可行性。

关键词：逆变器：电流控制／并阿中圈分类号：ＴＭ４６４

文献标识码：Ａ

文章编号：１０００—１００Ｘ（２００７）０９埘１９－０２

ＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌｏｆＳｉｎｇｌｅＰｈａｓｅＧｒｉｄ．ｃｏｎｎｅｃｔｅｄＩｎｖｅｒｔｅｒ

ＣＡＯＬａ－ｐｉｎｇ，ＳＨＥＮＧｕｏ－ｑｉａｏ，ＺＨＵＸｕａｎ－ｅａｉ，ＸＵＤｅ—ｈｏｎｇ

（矗巧洒酱Ｕｎｗｅ口ｉｔｙ，Ｈａｎｇ＝ｈｏｕ，３１００２７）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＦｏｒｔｈｅＬＣＬｆｉｌｔｅｒａｄｏｐｔｒｄｇｄｄ－－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｗｈｅｎｕｓｉｎｇｗｅｉｇｈｔｅｄ－ａｖｅｒａｇｅ－ｃｕｎｅｎｔｃｏｍｍｌｍｅｔｈｏｄ．

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｃｕｒｒｅｎｔ

ｃｏｎｔｒｏｌ，鲥ｄ・ｃｏｎｎｅ＇，ｃｔｅｄ

１引言２基于ＬＣＬ滤波器的单相并网逆变

近年来，太阳能、风能以及燃料电池等分布式能源越来越受到重视．并网逆变器的控制技术已成为研究热点。对于逆变器注入电刚的电流，，ＩＥＥＥ

Ｓｔｄ．

器加权电流控制

图１示出单相半桥逆变器．该逆变器通过ＬＣＬ滤波器与电嘲相连接。

上呻三呻

９２９—２０００和１ＥＥＥＳｔｄ．Ｐ１５４７标准均做了严格的限制规定。要求馈入电网的电流波形接近正弦波，总的谐波含量ＴＨＤ＜５％。各次谐波均在一定范围之内．且达到相应的功率因数。

近年来．国际上提出了诸多的电流控制方法【｜１．但传统的电流控制方式用于控制输出电流存在较大

的幅值与相位误差。加权平均电流的控制方法能有

效提高并网电流的稳态精度．同时为了解决小电流时的稳态误差。提出了一种基于有功，无功电流外环的电流控制方式．提高了逆变器注入电网的电流幅值精度和功率因数，并免受电网电压等因素的影响。

讨论了基于ＬＣＬ滤波器的单相并网逆变器的加权电流控制：分析了有功／无功电流外环的设计；给出了５ｋＷ单相并网逆变器的试验结果。

定稿日期ｔ２００７—０４－０３

图１单相半桥并网逆变器系统结构选择图

图中仉一直流侧电压

ｉ．－－－－－逆变输出电流

‰，｝一电网电压、电流

ｉｒ一电容电流

ＬＣＬ滤波器是抑制并网连接的ＰＷＭ逆变器输

出电流谐波的一个重要环节１２１。与单电感Ｌ滤波器相比，ＬＣＬ滤波器可以在高频段实现更大的衰减。尤其是在逆变器的开关频率较低时，采用ＬＣＬ滤波器可以更好地满足电流谐波衰减的要求。

对于传统的电流控制．当采用电网电流反馈控制时，电网电流‘相对于逆变输出电压ｕ。的传递函数为：

作者简介：曹陆萍（１９８２一）．男，浙江湖州人，磺士．研究

方向为可再生能潭中逆变嚣并网的与保护技

术。

Ｇ”（ｓ）２弓！斋。ＴＦ刁面１灭面

ａ－－ＬＩ／Ｌ

１９

（１）

式中Ｌ－－ＬＩ＋／ａ

万方数据　

第４１卷第９期电力电子技术

ＶＭ．４１，Ｎｏ．９Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００７

２００７年９月ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

由式（Ｉ）可见，该逆变器为三阶系统，容射引起输出振荡．并且在谐振频率处存在幅值尖峰，使Ｈ补偿函数只能取较小的比例增益．增加了设计难度。

电流加权平均法采用ｉ。与电容电流ｉ。的加权平均值作为反馈电流控制Ｈ．有：

ｉ１２＝ｏ癍ｃ

（２）

式中肛一电网电流与电容电流的枞值

加权平均电流相对于／ｔ。的传递函数为：

Ｇ础，＝揣＝蹀糌蹉呈＊

㈤

当选取卢一ｌ一“时，Ｇ㈣（ｓ）简化为一阶函数：

Ｇ一（ｓ）＝参糌＝击

（４）

图２示出电网电流反馈和加权平均电流反馈的开环传递函数波特图。由图可见．采用加权平均电流反馈使系统的同路增益不再出现谐振峰值．这样就使得ＰＩ补偿函数可以取较大的比例增益，提高了系统的同路增益。增强了谐波抑制能力。

图２电流控制并网逆变器的开环传递晌数波特图

３有功电流／无功电流外环设计

当采用加权电流瞬时值环控制时．虽然增大了电刚电流控制的幅值和相位精度．但当输出电网电流较小时，仍然存在一定的误差，特别是当引入的ｉ。较小时，ｉ。相对于‘的相位差较大；而大电流时ｉ。相对ｉ。的相位差很小，所以影响不大。为解决这一问题．提出了在加权电流瞬时值内环的基础上．增加一个有功电流／无功电流外环来增强电流控制的精度的方法。

．

，设电网电压瞬时值‰（￡）＝岫ｉｎ“，注入电网的

电流瞬时值为ｉｇ（ｔ）。于是有功功率为：

．

ｒ

１Ａ丽１一Ｊ。‰（‘）‘（ｆ）ｄｒ２寺Ｊ％ｉｎ（ｔｏｔ）ｉｓ（ｔ）ｄｔ（５）

ｆ

ｒ

２０

万　

方数据式中￡０——电删屯爪峰值

求得有功电流反馈值为：

忙百Ｐ＝鲁脯油（ｔｏｔ）ｄｔ

（６）

式中（０一电网电城有效值弘一电刚电压周期

无功电流反馈值为：

乍罟＝等胁）ｃｏｓ（训山

（７）

式中９＝ｊｉｌ

Ｊ：“；（。＋詈）‘（ｚ）出

瞬时值内环的给定值为：

ｉｓ＇＝ｌｖｓｉｎｏｎ＋抽Ｏｓｔ．ｏｔ

（８）

由上式可得加权电流瞬时值内环。有功／无功电流外环的控制框刚如图３所示。

图３并网逆变器电流控制框图

图中Ｇ。．（ｓ），Ｇ甩（ｓ）——有功电流和无功电流的ＰＩ调节嚣

Ｇ脚０）——加权电流ＰＩ调节器

Ｃ（ｓ）——被控系统传递函数Ｇ嗍（ｓ）——ＰｗＭ逆变器的增益

厶’，厶．＿一有功电流和无功电流的给定值Ｇｎ（５）《ｐ｜ｌ＋≠一ｌ

ｌ…

ｌ

（９）ＣⅢ０）＝Ｅｂｏ

（１０）

式中弘—一逆变器直流侧电压

Ｋｎ＿～比例增益

乃——采样与开关引起的延时野一积分常数

４实验结果

针对提出的电流控制策略．在５ｋＶＡ燃料电池并网逆变器上进行了实验。逆变器采用砸数字信号处理器Ｆ２８１２进行控制，开关频率为１６ｋＨｚ．直流侧电压为８００Ｖ．网侧电流为０。２３Ａ．滤波参数为Ｌ产Ｌ２＝１．７ｍＨ．Ｃ＝ＩＯＩｘＦ。电网电流通过数字锁相环（ＰＬＬ）与电网电压锁相１４１。

图４示出实验波形。图４ａ是额定负载为满载输出２３Ａ电流时的电网电压‰和电网电流‘波形；图４ｂ为ｔ的畸变率ＴＨＤ；图“为电网侧功率因数Ａ。由图可见，在新的电流控制策略下ｉ。具有较小的ＴＨＤ和较高的Ａ；图４ｄ为ｉ。输出值与ＤＳＰ给定值厶的关系。可以看出，即使在小电流的情况下，依然有较高的线性度，说明该方法具有较高（下转第４９页）

高频电感线圈损耗的分析和计鼻

隙的磁导率，磁芯整个磁路的磁阻可以只近似为气隙的磁阻。这里提出只需’止等效模型的外柱气隙磁阻等于实际外柱气隙磁阻，即可直接估算出磁芯的等效厚度，简化了计算过程。

３个磁柱都开气隙的电感参数为：磁芯型号ＥＴＤ２９，铜线直径ｄ＝０．６９ｒａｍ；磁芯材料型号为ＴＰ４，其绝缘直径为０．７７ｍｍ；采用水平骨架，其匝数／ｌ＝７５；导线材料为铜，层数Ⅳｌ，＝３；３个磁柱均开气隙，气隙长度ｌ＝２．４ｒａｍ。采用简化计算公式建立了电感的等效磁阻模型。表１给出了利用Ｍａｘｗｅｌｌ

２ＤＶＩＯ

５

结论

针对空心电感或者气隙很小的电感。提出了有效计算其交流电阻的一维计算公式．可以很准确地计算得到电感的线圈损耗。对于气隙影响比较大的电感．用ＭａｘｗｅＩＩ２Ｄ建立了等效的简化电感模型，通过仿真计算得到了它的线圈损耗。利用等效磁阻模型可以很好地预测出Ｅ型磁芯电感的线圈损耗。给电感设计提供参考。但是对于ＰＱ．ＲＭ等形状不很规则的磁芯．建模则比较复杂。如何对所有铁氧体磁芯甚至是铁粉芯磁芯建立模型是尚待解决的问题。需要作进一步研究。参考文献

１１】Ｃ

Ｒ

仿真得到的结果。其中权重因数均取为Ｏ．５，线圈中的电流源都设置成有效值为１Ａ而频率不同的交流电流，以便与用ＨＰ４２８４Ａ测得的Ｒ。进行了比较。

衰１电感线圈损耗仿真结果比较

Ｓｕｌｌｉｖａｎ．ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｌｙＥｆｆｉｃｉｅｎｔＷｉｎｄｉｎｇＬｏｓｓＣａｌ—

ｃｕｌａｆｉｏｎｗｉｔｈＭｕｌｔｉｐｌｅＷｉｎｄｉｎｇｓ，ＡｒｂｉｔｒａｒｙＷａｖｅｆｏｒｍｓ，ａｎｄ

Ｒ，／１２

Ｔｗｏ－ｏｒＴｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＦｉｅｌｄ

ｆ／Ｈｚ

ｉ００１０００１００００２００００５００００８００００１０００００

匕／Ｗ

０．３９０６

０．３９１９０５１７８ｎ８９４９３．３６４０７．２９１３

Ｐ。滞

ｎ３９９１０．４００３Ｏ．５２０７０．８８０７

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ｎ３９４９ｎ３９６１Ｏ．５１９２

Ｇｅｏｍｅｔｒｙ叨．ＩＥＥＥＴｍｎｓ．

０．４１９８

０．４２２７０．６０８０

ｏｎＰＥ，２００１，１６（１）：１４２一１５０．【２】Ｘｉ

Ｎａｎ，ＣｈａｒｌｅｓＲ

Ｓｕｌｌｉｖａｎ．ＡｎＩｍｐｒｏｖｅｄＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆ

ｉｎ

Ｈｉｇｈ—Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ－Ｅｆｆｅｃｔ

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Ｗｉｎｄｉｎｇｓ

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ＲｏｕｎｄＣｏｎｄｕｅｌｏｒｓ【ＡＩ．ＩＥＥＥＰＥＳＣ’０３【ｃ】．２００３，３４（２）：

０．８８７８３２９１６

７．０８５５１０００３５１７．４３８８２４．１２８２

１．１１６０

４．３７５０８．４３２０１２．４７４０２２．３３００２８．４６３０

８５３—８６０．

３．２１９２

６．８７９６９．６７３８１６７３３８

【３］Ｍ

Ｂａｒｔｏｌｉ，ＮＮｏｆｅｒｉ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ

ＷｉｎｄｉｎｇＬｏｓｓｅｓｉｎＨｉ曲－

ｏｆ

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙＰｏｗｅｒＣｉｒｃｕｉｔｓ

Ｉｎｄｕｅｔｏｎｓ【ＡＩ．ＷｏｒｌｄＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＪｏｕｍａｌ

Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ，Ｓｐｅｃｉａｌ

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１８．１４３８２５．２Ｊ７４

Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ

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１５（删）０

２０００００

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ［Ｃ］．１９９５．５（４）：６０３—６０７．ｆ４Ｊ

ＭＢａｒｔｏｌｉ，ⅣＮｏｆｅｒｉ．ＭｏｄｅｌｉｎｇＨｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｅｙＰｏｗｅｒ

２３．０３９０

Ｉｊ＊ｗｉｒｅ

Ｗｉｎｄｉｎｇ‰ｉｎ

表中心，尸Ｉｉ一平行和垂直磁心平面卜的电感线酬损耗

ｆｋ——两者的加权平均值

从表Ｉ的对比结果来看．简化计算的仿真结果误差是可以接受的。４（上接第２０页）的控制精度。

・’，．

ｌｎｄｕｃｔｏｒｓ【Ａ】．ＩＥＥＥＰＥＳＣ’９６【ｃＪ．

１９９６，２７（２）：１６９０～１６９６．【５】Ａｎｄｅｒｓｏｎ

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Ｈｏｋｅ，ＣｈａｒｌｅｓＲＳｕｌｌｉｖａｎ．ＡｎＩｍｐｒｏｖｅｄＴｗｏ．

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ｆｏｒｍｅｒｓ［Ａ］．ＩＥＥＥＡＰＥＣ’２００２ｆＣｌ２００２，１７（”：１５ｌ一１５７，

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流控制方法。内环采用加权电流瞬时值控制，外环采

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用有功电流，无功电流控制．提高了控制系统的鲁棒性和网侧电流的波形质量。参考文献

【１】Ｋａｚｍｉｅｒｋｏｗｓｋｉ

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Ｐ，ＭａｌｅｓａｎｉＬＣｕｒｒｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌＴｅｅｈ－

ｆａ）额定赴藏Ｏ．１ｕ＿’，～踱形

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图４实验波形

Ｃｏｎｔｒｏｌ

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Ｆｉｌｔｅｒ［Ａ］．ＡＰＥＣ’０６ＩＣｌ．２００６：１９６７－１０７３．

５结论

提出了一种基于ＬＣＬ滤波器的并网逆变器电

【４ｌ罗玛．杨成林，徐德鸿．基于ＤＳＰ的逆变器数字锁相技术

Ｕ】．电力电子技术，２００５，３９（５）：１０７～１０８．

４９

万方数据　

单相并网逆变器功率控制的实现

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

曹陆萍， 沈国桥， 朱选才， 徐德鸿， CAO Lu-ping， SHEN Guo-qiao， ZHU Xuan-cai， XU De-hong

浙江大学,浙江,杭州,310027电力电子技术

POWER ELECTRONICS2007,41(9)4次

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本文读者也读过(1条)

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