并网逆变器电流控制方法

并网逆变器的电流限制方法 陈敬德，1140319060；杨凯，1140319070；指导老师王志新 （上海交通高校电气工程系，上海，200240） 摘要并网逆变器是光伏发电系统的一个核心部件，其限制技术始终是探讨的热点。其运用的功率器件属于电力电子设备，它们固有特性会对系统产生不利的影响，为了防止逆变器中的功率开关器件处于直通状态，通常要在限制开关管的驱动信号中加入死区，这给逆变器输出电压带来了谐波，对电网的电能产生污染。本文对传统的限制方法重复限制、传统的PI限制、dq轴旋转坐标限制、比例谐振限制进行了总结分析，并比较了它们的优缺点。 关键词并网逆变器，重复限制，传统的PI限制，dq轴旋转坐标限制，比例谐振限制 0引言 随着现代工业的快速发展，近年来全球范围内包括煤、石油、自然气等能源日益紧缺，全球将再一次面临能源危机，同时，这些燃料能源的应用对我们所生活的四周环境产生了严峻的影响。环境问题受到了人们的广泛关注，为了解决能源紧缺以及环境污染问题，找寻可再生能源是解决这一问题的有效方式。太阳能因其清洁，无污染的优势受到了人们的青睐，太阳能光伏发电是目前充分利用太阳能资源的主要方式之一。太阳能发电主要有单独运行和并网运行两种模式，其中并网运行发展速度越来越快，应用的规模也愈来愈大[1]。逆变器是光伏发电系统中的关键部件，逆变器的工作原理是通过 IGBT、GTO、GTR等功率开关管的导通和关断，把直流蓄电池电能、太阳能电池能量等变换为电能质量较高的沟通电能，可以把它看成是一种电能转换设备。功率开关管的开关频率一般都比较高，因此利用它们进行电能转换的效率也比较高，但有一个很大的缺点是由它们组成的逆变系统的输出电能却不志向，其输出的波形中包含了许多对电能质量产生不利的方波，而许多场合都要求其输出的是肯定幅值和频率的正弦波，所以要找寻更好的限制策略来提高逆变器的电能质量，让其输出各项性能指标都满意要求的波形。目前所用的逆变器可以分为以下两类一类是恒压恒频逆变器，这类逆变器在各种电源持续供电的领域应用广泛，它能够输出电压幅值和频率都是特定值的沟通正弦波，简称 CVCF 逆变器。其次类是变压变频逆变器，这种逆变器主要用在电动机的调速系统中，它能够输出特定的幅值电压和频率，简称 VVVF 逆变器[2]。 本文将对并网逆变器的几种常见限制方法进行总结，如传统的PI限制、基于dq旋转坐标系的限制、重复限制及比例谐振限制。给出了框图和数学模型，并指出了它们各自的优缺点。 1重复限制 1.1重复限制思想 重复限制是基于内模原理的一种限制方法。所谓内模原理，即在一个闭环调整系统中，在其反馈回路中设置一个内部模型，使该内部模型能够很好的描述系统的外部特性，通过该模型的作用可使系统获得志向的指令跟踪特性，具有很强的抗干扰实力[3-4]。基于重复限制的算法在逆变器中得到了广泛的应用[5-7]。其基本思想是假设前一个基波周期中出现的波形畸变将会在下一个基波周期的同一时间重复出现，在此假设条件下，限制器依据每个开关周期给定信号与反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原限制信号上，以消退以后各基波周期中出现的重复畸变[8]。内模所起的作用就相当于是一个随意信号发生器，即使是给定的指令信号趋于0时，其依旧能够持续不断地输出限制信号，以维持合适的限制作用。重复限制能够很好的抑制波形中出现的周期扰动，但是对于系统中的非周期性扰动作用不大[9]。然而，由功率器件的死区以及非线性负载给逆变器系统带来的影响都具有周期性，因此利用重复限制的这个特性能够很好的解决这些问题，提高逆变系统的性能。 依据我们所学的经典限制理论，若系统中含有积分环节，那么它就能够无误差的跟踪阶跃输入，而且对积分环节之前的阶跃干扰也有很好的抑制作用。事实上积分环节可以看成是系统的内模，因闭环系统中的积分环节包含了阶跃输入的模型，从而可以实现精确无误差地跟踪阶跃输入信号。 假如限制系统内模的数学模型所描述的是周期性的信号，那么闭环系统对周期性的扰动具有很好的抑制作用，若给定指令或扰动信号只是单一频率的正弦信号，系统的内膜中只要包含有正弦的数学模型 （1-1） 就能够实现精确跟踪指令信号。假如指令信号或扰动信号中还包含其它频率的信号，这种状况下，若要实现精确无误差跟踪，只能通过在内膜中加入多个描述特定频率信号的数学模型，若信号所包含的频率成分较多，所须要的内模数量就许多，这给系统的限制带来了肯定的困难。为此就要找寻一种能够描述频率成分较困难的信号的内模，分析可知，虽然扰动信号的频率成分困难，但都具有重复性的特点，而且在每个基波周期都以完全相同的波形出现。针对这种困难的信号，可选择式（1-2）作为系统的内模 （1-2） T 为给定信号的周期，式（1-2）所描述的是一个周期延迟正反馈环节，无论给定信号的形式如何，只要重复的出现，而且频率与基波频率的倍数，那么该内模就会逐周期累加输入信号。即使在给定信号衰减为0时，系统依旧能够输出跟前一个周期相同的信号，内模所起的作用和积分环节相像，区分仅在于内模是以基波周期为单位对给定信号进行累加的，所以这种形式的内模能够实现对多种频率信号的跟踪。采纳这种特别形式的内模的闭环限制系统被称为重复限制系统[10]。由于上式中的延时环节采纳模拟器件实现起来比较困难，因而在实际应用中都是运用它的离散形式来实现的，如下式（1-3）所示 （1-3） 1.2重复限制器结构 内模限制是重复限制系统的关键部分，它的特点是能够输出稳定持续的限制信号，当系统中的内模是志向内模时，即使外部给定指令为0，内模也能够重复输出前一周期的信号。但是志向内模存在单位圆上的极点，这使得系统处于临界稳定状态，在实际中这种临界状态不行取，当被控对象的参数发生改变时就有可能导致系统不稳定，图1所示的为重复信号发生器基本框图 图1 重复信号发生器 因为图1所给出的重复信号发生器存在临界稳定状态，不利于系统的限制， 所以在应用中常对内模进行改进，如图2所示 图2 改进型重复信号发生器 图2中，Qz为一阶低通滤波器或者略小于1的常数。 由图4-2输入和输出之间的关系为 （1-4） 若取Qz0.95