三相并网逆变器无差拍解耦控制方法

摘要：针对传统无差拍控制无法实现有功功率与无功功率解耦控制的问题，在分析无差拍控制原理的基础上，提出一种新的无差拍控制策略，给出了无差拍控制策略占空比的计算方法。该控制策略将三相系统在d，q坐标系下的解耦特性与a，b，c坐标系下的无差拍控制算法有机地结合在一起，不仅实现了有功功率与无功功率的解耦控制，同时还具有控制简单、控制精度高和动态响应快等优点。最后，通过Matlab／Simulink仿真和实验验证了该方案的正确性和有效性。
关键词：逆变器；无差拍控制；解耦控制

1 引言
      近年来，随着全球范围内能源紧缺和环境污染问题的日益突出，开发和利用可再生能源受到世界各国的广泛关注。并网逆变器作为发电系统与电网的接口设备之一，其控制技术一直是研究的热点。无差拍控制是一种数字化PWM控制方法，在数字控制技术不断发展的今天，数字化PWM控制方式具有更加广阔的应用前景。无差拍控制具有良好的动态响应，并可使输出电流快速、准确地跟踪参考电流。故将其应用到三相并网逆变器中，可提高逆变器的抗干扰能力。

2 三相并网逆变器无差拍解耦控制
2．1 三相并网逆变器无差拍控制原理
     无差拍控制的基本原理是在每一个开关周期开始时刻，采样并网逆变器输出电流i，并预测出下一周期开始时刻逆变器并网侧电流的给定值i*，由差值i-i*计算出开关器件的开关时间，使i在下一周期开始时刻等于i*。此方法虽计算量较大，但其开关频率固定，具有快速的动态响应。
三相并网逆变器原理图如图1所示，图中Udc为直流侧电压；ea，eb，ec，ia，ib，ic分别为三相电网电压及输出电流的瞬时值；L为滤波电感。

如图1所示，根据三相对称系统基尔霍夫电压定律，回路电压方程为：


设控制周期为T，将回路电压方程离散化，同时设电流参考值为，逆变器三相开关占空比分别为△du，△dv和△dw。由于T远小于电网基波周期，则在一个T内，可忽略三相电网电压和直流母线电压的变化。若认为在一个T内实现了各相电流对其参考值的无差跟踪，则得到一个T内的回路电压方程为：

以上3个电压环路彼此并不独立，相当于只有两个独立方程。由于逆变器上、下桥臂的导通在一个T内对等，则可得三相逆变器上桥臂3个开关器件的总导通时间与下桥臂3个开关器件的总导通时间在一个T内相等，即得到：
△du+△dv+△dw=1．5 (5)
联立式(4)，(5)可求解得三相逆变桥的PWM信号的占空比为：

通过式(6)求得的△du，△dv，△dw控制逆变器的开关器件，得到所需要的逆变器输出波形，从而实现逆变器的无差拍控制。
2．2 三相并网逆变器功率解耦控制策略
根据瞬时功率理论，在d，q同步旋转坐标系下的有功功率和无功功率可表示为：
P=3(edid+eqiq)／2，Q=3(eqid-ediq)／2 (7)
当d轴以电网电压矢量定位时，即eq=0，则上式可写为：
P=3edid／2，Q=-3ediq／2 (8)
由式(8)可知，id，iq分别与P，Q成线性比例关系，调节id，iq就可分别独立地控制三相并网逆变器的P和Q，实现P和Q的解耦控制。三相并网逆变器无差拍解耦控制框图如图2所示。

3 仿真研究
     为验证这里电流无差拍解耦控制策略的正确性，在Matlab／Simulink的仿真平台中搭建了三相并网逆变器的仿真模型。参数为：直流母线电压500 V，电网相电压有效值220 V，电网电压频率50 Hz，变压器为升压型隔离变压器，三相滤波电感12 mH，交流侧总电阻0．01 Ω，开关频率9 kHz。
条件1 开始时刻，给定有功功率Pref=2 kW，给定无功功率Qref=0，在0．2 s时，Pref=10 kW，Qref=0。图3a为Pref突变时a相电压、电流仿真波形。

条件2 开始时刻，Pref=10 kW，Qref=0，在0．2 s时，Pref=10 kW，Qref突变为5 kvar。图3b为Qref突变时a相电压、电流仿真波形。
由图可见，无差拍解耦控制不仅能实现P，Q的解耦控制，同时还具有快速的动态响应。

4 实验结果
对所提出的无差拍解耦控制进行实验验证。实验参数为：直流母线电压500 V，电网相电压有效值220 V。变压器为升压型隔离变压器，IGBT开关频率为9 kHz，死区时间为2μs，交流侧滤波电感为12 mH。逆变器主控芯片为TMS320F28335，CPU时钟频率为150 MHz。该芯片是一种浮点芯片，与以前定点DSP相比，具有成本低，精度高，功耗小，A／D转换更精确、快速等特点。图4a为逆变器单位功率因数运行时实验波形，图4b为逆变器进行无功补偿时实验波形。实验结果表明，无差拍解耦控制能快速准确地跟踪电网电压，并网电流波形良好，不仅能运行于单位功率因数，而且还能对电网进行无功补偿。

5 结论
针对三相并网逆变器的特点，提出了一种新型无差拍控制策略。仿真和实验结果表明，这里提出的无差拍解耦控制策略计算简单，易于实现，控制精度高，具有良好的动态响应和稳态特性。不仅可以满足向电网输入高功率因数、高质量电能的要求，而且还可以对电网进行无功补偿。在太阳能发电、风力发电等可再生能源发电过程中具有较高的应用价值。