风力并网逆变器滞环SVPWM控制策略的研究风力并网逆变器滞环SVPWM控制策略的研究

摘要：针对并网逆变器采用传统滞环控制时，输出含有较大谐波从而影响电能质量的缺点，采用滞环与空间矢量脉宽调制(SVPWM)相结合的复合控制，即通过对交流侧电流矢量模值大小的判断，交替切换滞环控制与SVPWM模式。实验结果表明，该控制方法输出波形好，可基本清除较低次谐波，能较好满足风能并网控制要求。
关键词：风力发电；并网逆变器；空间矢量脉宽调制

1 引言
逆变器及其控制技术作为风力发电的关键技术受到广泛关注，目前大部分逆变器采用三相半桥电压型逆变器拓扑结构，控制方式多采用电流模式控制。其中电流滞环控制具有较好的电流跟踪特性，但滞环宽度固定，降低了整个系统的工作稳定性，易产生过高的开关损耗，逆变器输出含有谐波分量，影响电能质量。
针对传统单纯滞环控制含有低次谐波的不足，这里提出基于电流滞环跟踪控制和SVPWM的复合控制策略。实验结果表明，改进后的系统在一定交流侧误差电流矢量模值范围内，可有效降低开关损耗，取得更好的控制效果。当交流侧误差电流矢量模值超过一定范围时，动态响应速度更快，并可保证系统单位功率因数并网。

2 风电并网逆变器的研究
2．1 风电并网系统原理
图1示出风力发电系统示意图。直流侧采用DC／DC直流升压变换，永磁同步发电机(PMSG)输出电压通过整流经前级DC／DC电路控制后变得稳定，对后级逆变器工作影响减小，控制系统设计相对简单。故该并网发电系统能获得较大的输出功率和较好的并网效果，更适用于风力发电系统。此处侧重研究网侧并网逆变器，针对传统滞环控制存在的不足，采用提出的复合控制策略，通过控制IGBT开关状态，实现并网逆变过程。

2．2 改进控制策略
此处采用复合控制策略，设置电流误差矢量△i的限值为Iw(Iw=1．2 A)。如图2所示，当|△i|>Iw时，采用电流滞环控制策略来实现电流快速跟踪。当|△i|Iw时，为限制开关频率和电流，采用SVPWM。

2．2．1 电流滞环跟踪控制原理
如图3所示，电流滞环控制是将给定的电流信号与检测到的交流信号进行比较，差值送到比较器中，若检测到的电流值大于给定电流值且超出滞环比较器的上限，则立刻改变开关管的状态，使之减小；反之使其增大。采用电流滞环控制可加快跟踪速度，得到高质量的电流响应。

2．2．2 空间矢量脉宽调制控制原理
图4为风电并网逆变拓扑结构原理。

ex(x=a，b，c)为网侧相电压，ux为交流侧输入相电压，ix为逆变器输出相电流，电流参考方向如图1中箭头所示：L为滤波电感，R为滤波电感的电阻，C为直流侧母线电容，Udc为C上的电压，Idc为C上的电流(方向如图4中所示)，V1～V6为功率桥的6个功率开关管。[p]
电压矢量方程u=Ldi／dt+e，u为三相交流侧输入电压矢量：e为三相电网电动势矢量；i为三相交流侧电流矢量。设参考交流电流矢量为i*，则i与i*的电流误差矢量△i=i*-i，代入u=Ldi／dt+e可得：
Ld△i／dt=Ldi*／dt+e-u (1)
为使电流误差为零，交流侧三相逆变器输入电压合成矢量u*需满足：u*=Ldi*／dt+e。三相电压型逆变器共有8个空间电压矢量uk(k=0，…，7)可选择，为使电流误差为零，可得到合适的uk满足：
Ld△i／dt=Ldi*／dt+e-u=u*-uk (2)
可选择合适的uk来控制电流误差的变化率d△i／dt，从而控制△i来达到电流跟踪的目的。在SVPWM中，如图5a所示，将u*划分为6个不同区域，区域U(1)：ea>eb>ec；区域U(2)：ec>eb>ea；区域U(3)：eb>ec>ea；区域U(4)：ec>eb>ea；区域U(5)：ec>ea>eb；区域U(6)：ea>ec> eb。

对于△i区域划分，取三相对称轴(a，b，c)正方向为△ia，△ib，△ic正方向。如图5b所示，将△i分为6个空间区域I(k)(k=1，…，6)。
u*和△i确定后，可确定两矢量的空间位置，就可选择合适的uk，使d△i／dt方向相反，以减小电流误差。SVPWM中，△i被限定在一定的范围内，SVPWM能更好实现，该控制策略核心是将i*和检测到的实际电流进行比较，根据u*所在区域选择合适uk，通过选择合适的uk来控制d△i／dt，从而控制△i来实现电流跟踪。

3 实验
图6为并网逆变器控制系统结构，输出功率大于逆变器馈送到电网的功率时，直流母线上电压由于能量累积而升高，此时应增加DC／AC变换器输出指令电流，从而增加逆变器馈送到电网的能量来维持母线电压稳定；同理，当输出功率小于逆变器馈送到电网的能量时，逆变器将抽取母线电容的能量进行补充，母线电压下降，此时应减小输出电流指令来维持功率平衡，从而保持母线电压稳定。

在5 kW实验平台上进行实验，控制运算由处理器TMS320LF2812实现，直流侧电压300V；并网电压220 V，逆变桥为IGBT(1 400V／40A)，输出交流侧滤波电感为2 mH，稳压电容2 200μF／400 V，交流侧电阻10 Ω。给定开关频率5 kHz，驱动电路选用PHS2012x3。图7为实验波形。可见，风电并网发电系统采用提出的复合控制策略，能得到较好的动态响应，输出电压ug、电流ig为较标准的正弦波，且ug，ig接近同相，尖峰毛刺也相对较少，谐波基本消除，满足与电网电压同频同相的要求，得到了较好电能质量的系统并网电流。

4 结论
针对滞环控制输出电流存在一定尖峰毛刺和谐波的不足，提出采用电流滞环控制和空间矢量脉宽调制相结合的复合控制算法。并通过实验验证了该复合控制策略的可行性和优越性。