船电技术ｆ控制技术 并网逆变器的电流滞环简化控制方法 张杰 洪洁 吴朋 李靓 葛静 （湖北工业大学电气与电子工程学院，武汉４３００６８） 摘要：本文通过建立瞬态电流方程，分析滞环输出的周期变化规律，采用三角波形式的环宽变化规律替 代正弦的环宽变化规律，在开关频率变化较小的前提下简化了相应的软件控制，并通过仿真验证了该方法 的可行性。 关键字：并网逆变器 电流滞环近似恒频简化控制 中图分类号：ＴＭ４６４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３．４８６２（２０１１）０９—００４２—０４ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｏｆ Ｇｒｉｄ．ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｚｈａｎｇ Ｊｉｅ，Ｈｏｎｇ Ｊｉｅ，Ｗｕ Ｐｅｎｇ，Ｌｉ Ｌｉａｎｇ，Ｇｅ Ｊｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００６８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂｙ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｑｕａｔｉｏｎ． ａｎｄ ｒｅｐｌａｃｅｓ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｂａｎｄ ｗｉｔｈ ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ ｂａｎｄ ｔｏ ｓｉｍｐｌｉｆｙ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｐｒｅｍｉｓｅ ｏｆｌｉｔｔｌｅ ｃｈａｎｇｅ ｆｓｗｉｏｔｃｈｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ，Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ，Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，Ｓｉｍｐｌｉｉｅｄ ｆｃｏｎｔｒｏｌ １ 引言 并网逆变器采用电流滞环控制具有实时控制 输出电流、动态响应快等优点，是直接电流控制 通常采用的方法。由于固定环宽的电流滞环控制 制原理及数学分析均适用，但为了分析简便，选 用单相并网逆变器进行阐述。 单相桥式并网逆变电路由直流电压 ，开关 器件Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４，续流二极管ＶＤ１、ＶＤ２、ＶＤ３、 ＶＤ４，电感 和电网电压 组成，如图１所示。 其开关频率变化范围大，导致滤波器设计困难 Ｊ。 文献［２］、［３］、［４］分别采用最小二乘算法、积分 法和电压空间矢量法实现定频滞环电流跟踪控 其工作原理为：将与逆变器电感输出电流同步的 给定电流ｆ 和电感输出的实际电流ｉ￡进行比较， 把偏差（ 吐）送入滞环比较器，当ｌｉ＊－ｉ￡Ｉ＞Ｈ（Ｈ为滞 制，方便了滤波器的设计，但控制算法复杂，软 件实现比较困难。本文试图在正弦环宽恒频控制 的基础上，采用一种方法使开关频率在一定范围 变化，但环宽Ｈ呈线性变化，从而使软件控制得 到简化。 环宽度 时改变开关状态。逆变器输出的电感电流 以２Ｈ的环宽跟踪给定电流。电感输出电流ｉＬ与 给定电流ｉ 之间的偏差保持在土Ⅳ之间，在给定电 流ｆ 上下作锯齿状变化，达到跟踪电流的目的， 电感电流输出部分波形和开关状态如图２所示。 为了分析环宽与器件开关频率之间的关系， ２滞环跟踪控制原理及数学分析 矗］ 在单相和三相并网逆变器中，此滞环跟踪控 作如下假设： ①忽略开关死区时间，认为同一桥臂上、卜 两个开关器件的“开”和“关”是瞬时完成，互补工 作的。 ②开关器件的开关频率较高，故在一个开关 作者简介：张杰（１９７２．），男，湖北省人，副教授，主 周期内认为电压或电流信号恒定。 要研究方向为电力电子与光伏发电。 收稿日期：２０１１－０３—１０ ４２ 图１单相桥式并网逆变电路 图２电感电流输出波形和开关状态 由参考文献［５］有如下数学分析： 单相桥式并网逆变电路如图１所示。由图２ 可知，电感电流在一个开关周期内脉动一次。设 电流上升时间和下降时间分别为ｔＪ和ｔ２，开关周 期 ｆ ＋ｔ２，电流变化环宽为２Ｈ。经过分析与计 算得ｔ： ， ：—－２Ｈ．Ｌ—。 Ｕｄ一 一Ｕｄ—Ｕ 则开关管一个开关周期为： ： 十 （１） 一Ｕ 开关管的开关频率为： 厂： ： 二 （２） Ｔ ４ＨＬｕｄ 由（２）式可知， 当电网电压在 （２ｎ＋１）ｒｅ（ｎ．：０，ｌ，２…）附近时，开关管的开关频率 ．最低，开关周期最长，此时开关频率 ： ；电网电压在ＦＬＲ＂ ＝ｏ，ｌ，２…）时， 开关管的开关频率最高，开关周期最短，此时开 关频率Ｌ 。 ３正弦环宽恒频控制 船电技术ｌ控制技术 由（２）式可知，逆变器的开关频率在直流母 线电压、电网电压和输出电感一定时，由电流滞 环环宽决定。设直流母线电压Ｕａ＝３５０ Ｖ电网电压 ＝２２０４２・ｓｉｎ（ｃｏｔ）Ｖ，电感Ｌ＝２ ｍＨ，给定电 流ｆ ＝１０．ｓｉｎ（ｃｏｔ）Ａ。当固定电流滞环环宽 时， 取给定电流幅值ｆ 的６％作为电流滞环的环宽，即 环宽Ｈ＝０．６，电感电流波形及其谐波含量见仿真 图３所示ｊ总的谐波含量ＴＨＤ＝４．７７％。 图３ Ｈ＝０．６时电感电流波形及其谐波含量 由图３可以看出， 电感电流在 ：０，１，２…）附近时，开关管的开关频率最 ２ 低，在ｎＴｒ（ｎ＝０，１，２…）附近时，开关管的开关频率 最高，与上面的数学分析相符。 由（２）式可分别计算出逆变器的最小开关频 率和最大开关频率分别为ｌ５－３ ｋＨｚ和７２．９ ｋＨｚ， 变化范围大，不利于后侧滤波器的设计…。 若能够恒定开关频率则可以解决滤波器设计 问题。一个简单直接的方法就是对环宽Ｈ进行动 态调整。由（２）式可知Ｈ为 日： ４ｆ・Ｌ・Ｕｄ （３） 当设定开关频率恒定为７０ ｋＨｚ时，由式（３） ｃｎ２ ．２ ．可知环宽 ： ，可变环宽的控制部分仿 １９６０００ 真原理图见图４所示，环宽Ｈ的变化波形见图５ 所示。电感电流波形及其谐波含量见仿真图６所 示，总的谐波含量ＴＨＤ＝３．８１％，比固定环宽时总 的谐波含量ＴＨＤ＝４．７７％有明显改善。则变环宽恒 定开关频率的方式既改善了电感输出电流的谐波 含量，亦即改善了逆变器并网时电感电流的输出 波形，同时也方便了后侧滤波器的设计。 由图５可知，为获得恒定的开关频率，环宽 ４３ 船电技术｝控制技术 变化规律为正弦曲线。由图６可以看出，变环宽 时电感电流在峰值附近环宽较窄，零点附近环宽 较宽，与上面数学分析相符。 率控制，虽然逆变器输出电流的谐波含量明显减 小；开关频率恒定使得滤波器设计方便，但是， ４三角形环宽近似恒频控制 Ｌｈ（３）式和图５可知，通过变环宽恒定开关频 环宽 变化形式复杂，不利于软件控制实现。在 开关频率较高的情况下，用微控制器控制环宽Ｈ， 会占用控制器大量的资源，不利于并网逆变器系 统的整体设计。 图４变环宽控制部分仿真原理图 ｒｌ ｌｌ Ｊｌ 当ｋ＝－０时， 的两个最值点分别记作 的最 ＡＩ（０，Ｙｍａｘ），Ｂ１（ｎ／４， ），当ｋ＝－Ｉ时， 大值点记为Ｃｌ（ｎ， ）。则可求出两条直线的斜 率分别为： ： 二 ｚｒ／４ －（５） ｌ ＹｔｎｉｒＩ ｋ：：——三角形环宽近似恒频控制方式是在正弦环宽 【一 万一万／４ 将（５）式和点Ａ１、Ｂ１分别代入（４）式可 得： ２ 恒频控制改善逆变器输出电流波形的基础上，将 环宽Ｈ的正弦变化规律简化为三角形变化规律。 具体方法是：首先确定三角波一个周期的两 条直线，设两条直线方程为： ｊＩ ＝ ６２＝ 一 （６） 』【Ｙｌ 抖 Ｙ２＝ｋ２ｘ＋ｂ２ 对（３）式分别求一、二阶导数得： （４） 将（５）式、（６）式代入（４）式，可得三角 波一个周期的两条直线方程： ㈩ Ｈ ：一 ４ｆＬＵｓｉｎ（２ｃｏｔ、 ａ ”若求整个三角波，则只需将ＹＪ和Ｙ２周期性地 向右分别平移 和 即可。 ２ｏ．）２Ｕｓ２ ：一—４ｆＬＵｃｏｓ（２ＣＯｔ１ —ｄ １ 当ｃｏｔ＝÷ （ ＝ｏ，ｌ，２，…）时，即日’＝０，Ｈ 有最大值，记为Ｙ ； 当 ： 斗 万（ ：０，ｌ，２，…）时 Ｈ” 环宽 正弦和三角形变化规律如图７所示， 此时的逆变器输出电流波形及其谐波含量如图８ 所示。此时，逆变器的开关频率不再为恒定值， 而是在一定范围内变化。开关频率的变化曲线如 图９所示。 由图９可知，在恒定开关频率为７０ｋＨｚ的情 况下，改善后的开关频率在６５ ｋＨｚ＋２０％（５４～ ：０，Ｈ有最小值，记为 Ｖｏ１．３１ Ｎｏ．９ ２０１１．９ 船电技术ｌ控制技术 通过上面的分析以及仿真的验证可以知道， 当用三角形的环宽变化规律替代正弦的环宽变化 规律时，输出电感电流的谐波含量为３．８１％～ Ｓ 目 莒＿≈絮‘Ｈ ７７ ｋＨｚ）之间变化，滤波器设计也较容易。 Ｆ＇ＦＴ ｗｉｎｄｏｗ：１ ｏｆ４ ｃｙｃＩｅｓ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｓｉｇｎａｌ Ｔｉｍｅ（８） Ｆｕｎｄａｍ目ｎｔ ａ１（５ＯＨｚ）＝９９６３．ＴＨＯ＝３ｅ１％ 图６变环宽的仿真结果 丹 日 。 ＼＼ ∥ ＼、 ／／ ： … ＼ ／ ＼ ／ ＼ ／ ～ 跏 跏一一 Ｔｉｍｅ（ｓ） Ｆｕｎｄｓｍｅｎｔａｌ ｆ５０Ｈｚ）＝９ ９５３．ＴＨＤ＝３ ８５％ 图８逆变器输出电流波形及其谐波含量 此时的逆变器输出电流一个周期的谐波含量 为３．８５％。 三角形环宽近似恒频控制的方法虽然总的谐 波含量略有增加，但由于三角波的软件控制实现 远比正弦波容易，只需微控制器内部的一个定时 器即可，大大地方便了软件控制实现，减小了控 制器的计算量，节省控制器内部资源。 ５总结 ３．８５％，开关频率在６５ ｋＨｚ￣２０％（５４～７７ｋＨｚ） 之间变化。新的方法虽然谐波含量略有增加，但 ∞ 只需确定环宽Ｈ的最大值 和最小值 即可 求出三角波一个周期的两条直线，大大减少处理 器资源的消耗，简化了软件的控制实现，改善了 电感输出电流质量，同时由于开关频率变化不大， 方便滤波器的设计。 ４ 图９开关频率变化曲线图 参考文献： ［１】 闰士职．基于太阳能光伏发电并网系统的研究［Ｄ】． 成都：西南交通大学，２００９，５：２０～２２． ［２】邹晓，易灵芝，张明和等．单相并网逆变器的定频 滞环电流控制［Ｊ］．测控技术，２００８，２７（７）：７７￣７８． ［３】岳舟，谭甲凡．单相并网逆变器的定频滞环电流控 制新方法［Ｊ］．电源技术，２０１０，３４（１）：６７～６８． ［４】邹晓，易灵芝，张明和等．光伏并网逆变器的定频 滞环电流控制新方法［Ｊ］．电力自动化设备，２００８， ２８（４）：５９￣６０． ［５】洪峰，单任仲，王慧贞等．一种变环宽准恒频电流 滞环控制方法［Ｊ】．电工技术学报，２００９，２４（１）： ｌ１６～ｌ１７． 【６】范小波，张代润．光伏并网逆变器数字滞环控制的 研究［Ｊ】．电力电子技术，２００６，４０（６）：４６～４７． ［７】戴训江，晃勤．光伏并网逆变器电流滞环跟踪控制 ［Ｊ］．电源技术，２００９，３３（７）：５９８－５９９． 【８］Ｋａｎｇ Ｂ Ｊ，Ｌｉａｗ Ｃ Ｍ．Ｒｏｂｕｓｔ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｃｕｒｒｅｎｔ． ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ＰＷＭ ｓｃｈｅｍｅ ｗｉｔｈ ｆｉｘｅｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ［Ｊ］． ＩＥＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ－Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００１，１４８（６）：５０３－５１２． ４５