王梓铭 毛天龙 李光烁 张婷 芦至颖 张迈月

摘要：指出了在新能源供电系统中，三相并网逆变器将直流电能通过逆变器转换成交流电能，并入到公共屯网中，供其他用户使用。为保证电网运行安全、稳定，对并网的电流和电压谐波含量、频率的偏差都有着严格的要求和规定，需要满足谐波含童较低和功率因数为1。研究了并网逆变器电流跟踪控制策略及SVPWM的调制方式，在PSIM软件中进行了系统建模与仿真调试，仿真结果表明：实现了逆变器输出电流和电网电压拥有相同的频率和相同的相位，谐波含量较低和功率因数为1，证明了并网逆变器控制方法的正确性。

关键词：三相并网逆变器;SVPWM;电流跟踪控制;PSIM

中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）4-0172-06

1 引言

随着社会越来越进步，科技发展迅猛，人们对能源的需求也逐步增加，光伏电能作为取之不尽用之不竭的新能源，成为目前重要能源来源。用户可以利用光伏逆变器得到三相交流电能，用户也可以把多余的电能通过逆变器转换成交流电，收集到电网中，供其他用户使用。为保证电网的运行能够更加安全和稳定，世界的各国都对并网的电流和电压都有着严格的要求和规定，其中对于谐波畸变率、频率的偏差等很多方面都做了有关规定，必须保证进入电网的电流是符合并网的基本要求的，这样才能保证公共电网安全[1]。逆变技术解决的是直流电变成交流电的问题，如何并网、如何调制、如何调节也是并网的关键性问题[2]。

逆变器的控制方法有：PI闭环控制，双闭环控制，滞环电压控制，无差拍控制和重复控制[3]。双闭环控制是电流的比较为内环，电压控制为外环或者功率为外环，电流环能够快速地抑制扰动。

逆变器的调制方法中，脉宽调制（PWM）应用最为广泛，其中空间矢量调制[4，5]已经成为高性能场合的最佳选择，在数字控制的应用场合中较为常见与广泛[。空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）是实现调制波输出控制的一种方法，该方法通过空间矢量来实现。

2 三相并网逆变器拓扑结构及数学模型

带有L型滤波器的三相并网逆变器系统如图1所示，该结构图是，T1～T6为三相逆变桥的6个绝缘栅双极型晶体管IGBT，R是包括每一相的上桥臂和下桥臂晶闸管死区所产生的电压损耗，及滤波电感内阻的等效电阻，为L型并网滤波器。

利用逆变器交流电压回路和直流侧电流回路建立电路方程组：

3 逆变器控制策略

3.1 电网电压定向的矢，控制基本原理

对于三相交流对称系统通过坐标变换，交流电压电流在d-q坐标系下为为直流变量，可简化系统分析。三相并网逆变器的输出电流矢量图如图2所示，由图2可知，d轴以速度ωt同步旋转，且与电网电压矢量u重合。

由上述结论，可以得到三相并网系统的瞬时有功功率p和瞬时无功功率q分别为[14]：

逆變侧电网电压理想的情况下，即u_d为某个具体值时，可以知道有功功率p、无功功率q和并网逆变侧的输出电流在d-q坐标系下的i_d和i_q是成正比关系的。当电网电压为不变量时，并网逆变器的有功功率p，无功功率q可以通过控制i_d和i_q来改变。三相并网逆变器的控制结构如图3所示。

从图3可知，基于电网电压定向的矢量控制系统是一个双闭环结构，由有功、无功功率外环和有功、无功电流内环组成。功率外环是通过给定值和扰动信号作用，将d-q坐标系下的电网电压进行作用，输出内环电流参考值i_q^*和i_d^*。无功电流内环的电流参考值i_q^*为0，这时逆变器运行于单位功率因数状态下，以此达到电网的电流与电网的电压相位一致的状态。电流内环控制的原理其实很简单，检测出电网电流是交流变量，经过a-b-c坐标到d—q坐标变换得到对应的旋转坐标系下的直流变量i_d和i_q，将这两个实时变量值与电流参考值i_q^*和i_d^*分别进行比较，并分别通过比例调节实现对i_d和i_q进行控制[15]。而电流内环比例控制输出信号经d—q坐标逆变换到a—b—c坐标系后送入SVPWM控制系统中，开关的驱动信号由脉宽调制得到，最终实现三相并网逆变器的控制。

3.2 电流解耦控制器设计

考虑到电流内环是对称的，以d轴为例进行比例控制的设计，q轴也可以使用同样的比例控制。即使是扰动信号考虑进去，电流环控制也非常简便易懂，解耦后的i_d电流内环控制只是比例值K。

对于功率外环，考虑直流侧是在理想的情况下进行的。所以这时直接给定有功功率和无功功率的参考值，有功功率和d—q轴下的交流量u_d相乘，无功功率和d—q轴下的交流量u_q相乘，二者得到的值进行加法作用后与u_d和u_q的平方和相除，最后经过比例系数，得到有功电流参考值;有功功率和d-q轴下的交流量u_q相乘，无功功率和d-q轴下的交流量u_d相乘，二者得到的值进行减法作用后与u_d和u_q的平方和相除，最后经过比例系数，得到无功电流参考值。功率外环控制方程为：

上述式子中，e_d和e_q是电网电动势矢量在d—q轴下的分量;u_d和u_q是三相并网逆变器交流测电压的合成矢量在d—q轴下的分量;i_d和i_q三相并网逆变器交流测电流的合成矢量在d—q轴下的分量;P是微分算子。

由上述方程式可以看出来，d—q轴的两个分量是相互耦合的，但是q轴电流对d轴电流的影响很小，几乎可以忽略不计，因为d轴电流远大于q轴下的电流。虽然可以不去考虑q轴下的电流了，但有一个量不能忽略：ωLi_d。ωLi_d作為d轴耦合到q轴的分量，会对q轴电压e_q产生一定的影响。所以需要进行解耦控制，不然会给电流控制的设计带来不小的困难。

设：

u'_d=Ri_d+LPi_d（11）

u'_q=Ri_q+LPi_q（12）

从上式（11），（12）可以看出， u_d'和u'_q替换d-q轴的耦合量后，两轴的电流变得可以独立控制了，消除了耦合，u'_d和u'_q又可由电流内环的比例调节K控制，u'_d和u'_q可以表示成：

式（13）、（14）中，v_d和v_q是d-q轴电流内环比例调节的输出量，K表示比例调节增益i_q^*和i_d^*是无功电流和有功的电流参考值，可以得到u_d和u_q的控制方程：

前馈解耦控制使d、q两轴的电流已经实现了独立控制，用电网电压来作为系统的前馈补偿，这就进一步提高了系统的动态性能。其实解耦的过程很容易理解，就是在d和q各轴下，把有对方轴下的分量加入到电流比例调节的输出后面，加入的分量与被控对象产生的耦合量大小相等、方向相反[13]。解耦控制结构如图4所示。

4 逆变器调制方法

4.1 7段式SVPWM

为了降低PWM开关产生的谐波分量，以每个开关周期闭合和关断的次数最少为原则，开关动作时序只改变一个桥臂的开关状态，零矢量平均的分配，可以产生对称PWM信号。表1为基本矢量在不同扇区的作用顺序。

4.2 U_ref所在扇区N的判断

判断由U_α和U_β决定的空间电压矢量到底在哪个扇区内是SVPWM调制的第一步。这里先假设合成电压矢量落在了第I扇区，即，0°-1