光伏并網(wǎng)逆變器控制策略課件

2023/10/36.1概述電力電子變換的主要任務(wù)是通過控制使電力電子系統(tǒng)完成既定的電能變換，并輸出期望的電流、電壓或功率。

為克服系統(tǒng)參數(shù)變化或擾動(dòng)對系統(tǒng)輸出的影響，必須引入閉環(huán)控制，其典型的控制結(jié)構(gòu)如圖所示。第六章

光伏并網(wǎng)逆變器控制策略2023/7/256.1概述電力電子變換的主要任務(wù)是通過2023/10/3? 電力電子系統(tǒng)的控制主要包括對給定信號(hào)的跟隨（跟隨性）和對擾動(dòng)信號(hào)的抑制（抗擾性）兩個(gè)方面。而對于不同的電力電子系統(tǒng)，其控制性能對跟隨性和抗擾性的要求則有所不同。S1S3S5+

udciea- +ebeciLiinvLLLCdcuPV系統(tǒng)-- +- +ig如圖所示的逆變器：2023/7/25? 電力電子系統(tǒng)的控制主要包括對給定信號(hào)的2023/10/3逆變器與市電并聯(lián)運(yùn)行的輸出控制可分為電壓控制和電流控制。交流電網(wǎng)可視為容量無窮大的交流電壓源,如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制,則實(shí)際上就是一個(gè)電壓源與電壓源并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng),這種情況下要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,就必須采用鎖相控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)與市電同步,在穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上,可通過調(diào)整逆變器輸出電壓的大小及相位以控制系統(tǒng)的有功輸出與無功輸出。但由于鎖相回路的響應(yīng)較慢、逆變器輸出電壓值不易精確控制、可能出現(xiàn)環(huán)流等問題,如果不采取特殊措施,一般來說同樣功率等級(jí)的電壓源并聯(lián)運(yùn)行方式不易獲得優(yōu)異性能。如果逆變器的輸出采用電流控制,則只需控制逆變器的輸出電流以跟蹤市電電壓,即可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。由于其控制方法相對簡單,因此使用比較廣泛。2023/7/25逆變器與市電并聯(lián)運(yùn)行的輸出控制可分為電壓控2023/10/3兩個(gè)基本控制要求：一是要保持前后級(jí)之間的直流側(cè)電壓穩(wěn)定二是要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流控制甚至需要根據(jù)指令進(jìn)行電網(wǎng)的無功功率調(diào)節(jié)2023/7/25兩個(gè)基本控制要求：一是要保持前后級(jí)之間的直2023/10/3? 典型的光伏并網(wǎng)控制策略是通過對逆變器輸出電流矢量的控制，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)及網(wǎng)側(cè)有功、無功的控制。逆變器網(wǎng)側(cè)穩(wěn)態(tài)的矢量關(guān)系如圖所示。10ms/div態(tài)單位功率逆變電壓電流波形Ua/V50V/divIa/A5A/div2023/7/25? 典型的光伏并網(wǎng)控制策略是通過對逆變器輸2023/10/3? 圖中相應(yīng)的矢量關(guān)系，(UL

j

LI)Ui

UL

E圖

并網(wǎng)逆變器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系顯然通過控制交流側(cè)Ui的幅值和相位，便可控制UL的幅值和相位，也即控制了電感電流的幅值和相位。2023/7/25? 圖中相應(yīng)的矢量關(guān)系，(UL2023/10/3再由Ui=

UL+E；可得交流側(cè)輸出電壓指令Ui*

j

LI*

E并網(wǎng)控制的工作原理：首先由并網(wǎng)控制給定的有功、無功功率指令和電網(wǎng)電壓矢量，計(jì)算出輸出電流矢量I*；通過SPWM或SVPWM（空間矢量脈寬調(diào)制）控制逆變器輸出所需交流側(cè)電壓矢量，實(shí)現(xiàn)逆變器并網(wǎng)電流的控制。2023/7/25再由Ui=UL+E；可得交流側(cè)輸2023/10/3間接電流控制：通過控制并網(wǎng)逆變器交流側(cè)電壓來間接控制輸出電流矢量。間接電流控制特點(diǎn)：無需電流檢測，但①對系統(tǒng)參數(shù)變化敏感；②動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢；③由于沒有電流反饋控制，逆變器輸出電流的波形品質(zhì)難以保證。2023/7/25間接電流控制：通過控制并網(wǎng)逆變器交流側(cè)電壓2023/10/3? 直接電流控制方案依據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型構(gòu)造電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和輸出電流的波形品質(zhì)，降低參數(shù)變化的敏感度，提高系統(tǒng)的魯棒性。? 在直接電流控制前提下，如果以電網(wǎng)電壓矢量進(jìn)行定向，通過控制并網(wǎng)逆變器輸出電流矢量的幅值和相位，便可控制并網(wǎng)逆變器的有功、無功功率，以此實(shí)現(xiàn)逆變器的并網(wǎng)控制。2023/7/25? 直接電流控制方案依據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型構(gòu)造電2023/10/3? 相對于電網(wǎng)電壓矢量位置的電流矢量控制，稱為基于電壓定向的矢量控制(VOC)。? 相對于電網(wǎng)電壓矢量位置的功率控制，稱為基于電壓定向的直接功率控制(V-DPC)。以上兩種并網(wǎng)逆變器控制策略的控制性能取決于電網(wǎng)電壓矢量位置的精確獲得。2023/7/25? 相對于電網(wǎng)電壓矢量位置的電流矢量控制，2023/10/3目前，三相逆變器的控制技術(shù)目前主要有三類。

第一類在三相abc靜止坐標(biāo)系中對三相瞬時(shí)變量分別進(jìn)行瞬時(shí)值反饋控制；

第二類是基于Clarke變換，在兩相靜止αβ坐標(biāo)系下對α、β軸的瞬時(shí)變量進(jìn)行反饋控制；

第三類是基于Park變換，在兩相dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中對d、q軸的瞬時(shí)變量進(jìn)行反饋控制。2023/7/25目前，三相逆變器的控制技術(shù)目前主要有三類。2023/10/3三相靜止ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

借助電機(jī)學(xué)的概念，三相定子繞組A、B、C在空間上對稱分布且靜止不動(dòng)，ABC坐標(biāo)系稱為三相靜止（3S）坐標(biāo)系。交流電機(jī)三相對稱的靜止繞組A、B、C，通以三相平衡的正弦電流時(shí)，產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢是旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢F，它在空間呈正弦分布，以同步轉(zhuǎn)速ωs（即電流的角頻率）順著A-B-C的相序旋轉(zhuǎn)。2023/7/25三相靜止ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型借2023/10/3兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

把兩個(gè)相互垂直的坐標(biāo)軸α

、β固定，取α軸與A相軸重合，β軸超前α軸90o，得到坐標(biāo)系，稱為兩相靜止(2S)坐標(biāo)系。

從ABC坐標(biāo)系到αβ坐標(biāo)系的變換稱為靜止三相/兩相(3S/2S)變換。2023/7/25兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型把兩2023/10/3ABC坐標(biāo)系下的空間矢量為χa,χb,χc，變換到αβ坐標(biāo)系在α軸和β軸的分量分別為xα和xβ。變換后使各變量的極值不變，可以得到3S/2S坐標(biāo)變換公式：

在兩相靜止坐標(biāo)系中的三相逆變器電壓電流方程分別為2023/7/25ABC坐標(biāo)系下的空間矢量為χa,χb2023/10/3同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

相互垂直的坐標(biāo)系d軸和q軸，同時(shí)以ω為角頻率旋轉(zhuǎn)，得到兩相同步旋轉(zhuǎn)(dq)坐標(biāo)系

αβ/dq坐標(biāo)變換公式：dq坐標(biāo)系中三相逆變器的電壓電流方程分別為：2023/7/25同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型相2023/10/3

因此，無論采用何種坐標(biāo)系，只要在該坐標(biāo)系下測量得到電網(wǎng)電壓矢量位置即可?；陔妷憾ㄏ虻目刂频牟蛔?，實(shí)際電網(wǎng)電壓不是理想的正弦波，而是存在諧波，所以電壓檢測除了基波還有諧波，造成誤差。2023/7/25因此，無論采用何種坐標(biāo)2023/10/3解決的方法有兩種，一是采用鎖相環(huán)技術(shù)；二是采用虛擬磁鏈。光伏并網(wǎng)逆變器控制策略有4類：1）基于電壓定向的矢量控制2）基于電壓定向的直接功率控制3）基于虛擬磁鏈定向的矢量控制4）基于虛擬磁鏈定向的直接功率控制2023/7/25解決的方法有兩種，一是采用鎖相環(huán)技術(shù)；二是2023/10/3? 對于逆變器控制而言，其指令信號(hào)常為工頻正弦信號(hào)，一般要求其輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)對給定正弦信號(hào)的無靜差控制。? 在閉環(huán)系統(tǒng)中，無靜差控制這一目標(biāo)通常是通過調(diào)節(jié)器的無靜差調(diào)節(jié)來完成的，而調(diào)節(jié)器的無靜差調(diào)節(jié)主要由調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)所決定的。6.2電流閉環(huán)的矢量控制策略無靜差原理控制是指被控對象穩(wěn)態(tài)、無差地運(yùn)行在平衡狀態(tài)或跟蹤某一目標(biāo)信號(hào)上。2023/7/25? 對于逆變器控制而言，其指令信號(hào)常為工頻2023/10/3

實(shí)際上，控制理論中的內(nèi)模原理給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無靜差跟隨的基本要求。

內(nèi)模原理告訴我們：如果φr(s)是某反饋控制系統(tǒng)輸入信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)不穩(wěn)定極點(diǎn)構(gòu)成的關(guān)于s的多項(xiàng)式，在該系統(tǒng)反饋控制環(huán)路內(nèi)部引入1/φr(s)

之后，這個(gè)反饋控制系統(tǒng)就具有良好的跟蹤指令以及抵消擾動(dòng)影響的能力，則1/φr(s)就稱為內(nèi)模，而1/φr(s)在系統(tǒng)中復(fù)現(xiàn)，稱為內(nèi)模原理。換言之：如果在一個(gè)穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)中，若控制回路中包含了與參考信號(hào)發(fā)生器同樣的傳遞環(huán)節(jié)，則被控輸出一定能無穩(wěn)態(tài)誤差地跟蹤參考信號(hào)。2023/7/25實(shí)際上，控制理論中的內(nèi)模原理給出了2023/10/3通過abc-dq的坐標(biāo)變換可以將三相靜止系下的交流量轉(zhuǎn)成同步坐標(biāo)系下的直流量，所以無靜差控制與相應(yīng)坐標(biāo)系有關(guān)。在靜止坐標(biāo)系中，逆變器的指令信號(hào)為正弦波信號(hào)，因此必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)以滿足正弦時(shí)變信號(hào)的無靜差控制要求；而在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，逆變器的指令信號(hào)被變換為直流信號(hào)，因此可以采用常規(guī)的PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)，以滿足對直流信號(hào)的無靜差控制要求。2023/7/25通過abc-dq的坐標(biāo)變換可以將三相靜止系2023/10/3可見逆變器控制可分為在同步坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)對直流給定信號(hào)的無靜差控制和在靜止坐標(biāo)系下的實(shí)現(xiàn)對正弦給定信號(hào)的無靜差控制兩大類。采用基于電流閉環(huán)的矢量控制策略，其控制設(shè)計(jì)主要分為：基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)以及基于靜止坐標(biāo)的控制設(shè)計(jì)?；谕叫D(zhuǎn)坐標(biāo)的控制設(shè)計(jì)，是利用坐標(biāo)變換將靜止坐標(biāo)系中的交流量變換成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，為實(shí)現(xiàn)對直流給定信號(hào)的無靜差控制，其控制環(huán)路中必須含有積分環(huán)節(jié)，一般采用典型的PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)。2023/7/25可見逆變器控制可分為在同步坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)對直2023/10/3基于靜止坐標(biāo)系的控制設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)對正弦給定信號(hào)的無靜差跟隨，則要求系統(tǒng)基于靜止坐標(biāo)系模型中的開環(huán)傳遞函數(shù)包含1/(s2+ω2)環(huán)節(jié)。一般采用比例諧振(PR)調(diào)節(jié)器。2023/7/25基于靜止坐標(biāo)系的控制設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)對正弦給定2023/10/3L RIinvS1 S3 S5eaeb

ec S2 S4S6LLRRVdcva iaibicvbvcIpv單級(jí)式三相光伏并網(wǎng)逆變器電路結(jié)構(gòu)圖6.2.1同步坐標(biāo)系下并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型2023/7/25L RIinveaebec S2 2023/10/3? 圖中，三相靜止坐標(biāo)系下并網(wǎng)逆變器的電壓方程? 由三相靜止abc坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為兩相靜止αβ坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型得：2023/7/25? 圖中，三相靜止坐標(biāo)系下并網(wǎng)逆變器的電壓2023/10/3? 再由兩相靜止αβ坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型變換成同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型由上面兩式并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)變換，可得2023/7/25? 再由兩相靜止αβ坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型變換成2023/10/3? 零初始狀態(tài)下，對上式進(jìn)行拉氏變換，可得同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下并網(wǎng)逆變器頻域的數(shù)學(xué)模型，對應(yīng)的模型結(jié)構(gòu)如圖所示。Ud(s)

Ed(s)

L

0Iq(s)

(sL

R)Id(s)Uq(s)

Eq(s)

L

0Id(s)

(sL

R)Iq(s)圖6-5同步坐標(biāo)系下的模型結(jié)構(gòu)圖2023/7/25? 零初始狀態(tài)下，對上式進(jìn)行拉氏變換，可得2023/10/3? 前饋解耦的并網(wǎng)逆變器模型結(jié)構(gòu)如圖所示。圖6-6引入前饋解耦的模型結(jié)構(gòu)圖2023/7/25? 前饋解耦的并網(wǎng)逆變器模型結(jié)構(gòu)如圖所示。2023/10/3圖示為基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制系統(tǒng)矢量圖6.2.2基于電壓定向的矢量控制2023/7/25圖示為基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制系統(tǒng)矢量圖2023/10/3? 基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制(VOC)。由瞬時(shí)功率理論，系統(tǒng)的瞬時(shí)有功功率p、無功功率q分別為在電網(wǎng)電壓定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，ed=|E|，eq=0。簡化為若不考慮電網(wǎng)電壓ed的波動(dòng)，則通過控制就可分別控制并網(wǎng)逆變的有功、無功功率。2023/7/25? 基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制(VOC)2023/10/32023/7/252023/10/36.2.3基于虛擬磁鏈定向的矢量控制虛擬磁鏈定向的基本出發(fā)點(diǎn)是將并網(wǎng)逆變器交流側(cè)（包括濾波器環(huán)節(jié)和電網(wǎng)）等效成一個(gè)虛擬的交流電動(dòng)機(jī)，如圖所示。磁鏈：導(dǎo)電線圈或電流回路所鏈環(huán)的磁通量。磁鏈等于導(dǎo)電線圈匝數(shù)N與穿過該線圈各匝的平均磁通量φ的乘積，故又稱磁通匝。2023/7/256.2.3基于虛擬磁鏈定向的矢量控制虛擬2023/10/3圖中，RS、L可分別看作是該交流電機(jī)的定子電阻和定子漏感。三相電網(wǎng)電壓矢量E經(jīng)過積分后所得的矢量可認(rèn)為是該虛擬電機(jī)的氣隙磁鏈2023/7/25圖中，RS、L可分別看作是該交流電機(jī)的定子2023/10/3基于虛擬磁鏈定向的矢量控制的矢量圖如圖所示2023/7/25基于虛擬磁鏈定向的矢量控制的矢量圖如圖所示2023/10/3由于虛擬磁鏈?zhǔn)噶喀妆入娋W(wǎng)電壓矢量E滯后900，若控制并網(wǎng)逆變器運(yùn)行于單位功率因數(shù)狀態(tài)時(shí)需滿足：這樣并網(wǎng)逆變器的瞬時(shí)功率為：2023/7/25由于虛擬磁鏈?zhǔn)噶喀妆入娋W(wǎng)電壓矢量E滯后902023/10/3基于虛擬磁鏈定向的矢量控制的結(jié)構(gòu)如圖所示2023/7/25基于虛擬磁鏈定向的矢量控制的結(jié)構(gòu)如圖所示2023/10/3由于采用磁鏈?zhǔn)噶喀锥ㄏ?，其磁鏈?zhǔn)噶康奈恢媒铅糜搔力伦鴺?biāo)系下的電網(wǎng)電壓α、β軸分量eα、e

β積分所得的φα、φβ

計(jì)算而得，即：2023/7/25由于采用磁鏈?zhǔn)噶喀锥ㄏ颍浯沛準(zhǔn)噶康奈恢媒?023/10/3單相并網(wǎng)逆變器由于只有單一的交流量，一般引入虛擬的正交電流，構(gòu)成虛擬的兩相正交的交流系統(tǒng)，也可與三相系統(tǒng)那樣，實(shí)現(xiàn)在靜止坐標(biāo)系或同步坐標(biāo)系中的控制策略。6.3單相并網(wǎng)逆變器的控制2023/7/25單相并網(wǎng)逆變器由于只有單一的交流量，一般引2023/10/3一、靜止坐標(biāo)系中單相并網(wǎng)逆變器的控制基