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基金项目:国家自然科学基金项目(50667002;新疆大学青年科研启动基金(QN070136定稿日期:2009-03-26作者简介:戴训江(1974-,男,新疆昌吉人,博士生,研究方向为光伏并网发电技术及电能质量分析和控制。
1引言太阳能光伏发电是最有发展前景的可再生能源技术,是当今光伏电源应用的主要研究领域,并网逆变器是研究的核心。
为了对系统状态和运行模式进行仿真研究,建立了光伏模块数学模型。
光伏模块电气参数是环境条件如温度和光照强度的函数,光伏模块的输出电压和电流受环境温度、太阳辐射强度和负载变化的影响,因此并网逆变器的运行特性和动态响应亦需要考虑温度和光照强度变化的影响。
为使光伏变换器最大化地将电能传输到电网,采用改进的电导微增量算法(Incremental Conduc -tance Algorithm ,简称ICA 。
该算法具有控制精确,响应速度快的特点。
目前,光伏逆变器主要的发展趋势是通过LCL 滤波器并入电网。
LCL 并网过程中会引起LC 支路谐振,使注入电网的电流发生振荡,影响系统稳定性,必须采取有效的阻尼方法加以抑制。
基于单级无变压器的并网逆变器拓扑结构,构建了光伏阵列、单相全桥PWM 逆变器、三阶T 形滤波器和电网主电路,将最大功率跟踪(MPPT 控制算法和有源阻尼算法集成在电流滞环控制系统中[1],以实现功率的最大传输,抑制LCL 滤波器的自然谐振,提高系统稳定性。
利用数字仿真平台对光伏并网逆变器的主电路系统和控制系统进行了仿真。
结果表明,在电流滞环跟踪控制的作用下,并网逆变器注入电网的电流与电网电压同相,功率因数接近1,并消除了LCL 滤波的谐振问题。
2系统建模2.1单相光伏并网拓扑结构图1示出单相光伏并网逆变器通过LCL 滤波器并入电网的系统拓扑结构,控制系统为集成的统一控制系统。
基于LCL 滤波的光伏并网逆变器电流滞环控制戴训江,晁勤(新疆大学,新疆乌鲁木齐830008摘要:并网型逆变器是太阳能光伏并网发电的关键部件,提出的光伏并网逆变器通过LCL 滤波器并入电网,采用非线性的电流滞环控制策略,建立光伏模块和LCL 滤波器的数学模型,将基于电导增量算法的最大功率跟踪(MPPT 控制和有源阻尼算法集成在滞环控制系统中,实现了光伏模块最大功率输出,并有效抑制了LCL 滤波器的自然谐振。
SPWM电流跟踪并网逆变控制技术研究高嵩;王辉;何宁;陈超波【摘要】针对传统的正弦脉冲宽度调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)电流跟踪并网逆变控制方法的电流响应较慢,跟随误差较大,易受电网电压影响的问题,提出了一种改进的SPWM电流瞬时值跟踪控制方法.介绍了单相并网逆变主电路拓扑结构,对改进型SPWM电流控制方式进行了描述和分析,建立了并网电流闭环控制系统的数学模型.系统中运用了闭环控制模式,加入了电压前馈补偿环节,通过控制逆变系统的输出电流以跟踪市电的变化,与电网电压同频、同相.仿真结果表明,改进后的方法输出电流波形谐波畸变含量为0.26%,加入PI控制环节的调整时间为0.2 s.%The traditional SPWM inverter control method of the current tracking interconnection has the disadvantages of lower current, bigger follow error and liability to being affected by network voltage.An improved SPWM current instantaneous tracking control method is proposed.The single-phase grid inverter circuit topology is introduced first.Then the modified SPWM current control modes are described and analyzed, and the mathematical model of the grid current closed-loop control system is established.Finally, the improved SPWM current control mode was simulated.Simulation results show that the content of harmonic distortion is significantly reduced while the real-time performance is greatly improved.【期刊名称】《西安工业大学学报》【年(卷),期】2011(031)001【总页数】5页(P74-77,83)【关键词】并网逆变器;电流跟踪控制;SPWM;谐波畸变【作者】高嵩;王辉;何宁;陈超波【作者单位】西安工业大学,电子信息工程学院,西安,710032;西安工业大学,电子信息工程学院,西安,710032;西安工业大学,电子信息工程学院,西安,710032;西安工业大学,电子信息工程学院,西安,710032【正文语种】中文【中图分类】TM92目前国外光伏并网逆变器产品的研发主要集中在最大功率跟踪和逆变环节集成的单极能量变换上[1],功率主要为几百瓦到五千瓦的范围,控制电路主要采用数字控制,注重系统的安全性、可靠性和扩展性,且具有各种完善的保护电路.光伏发电并网系统在我国还没有真正投入商业化运行,目前所建光伏并网系统均为示范工程.逆变器的数字化控制己经研究了多年,实时数字控制中采用软件算法来实现反馈控制.采用数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)不仅可以比较方便地实现控制目的,而且大大简化了控制电路的设计,提高了可靠性.随着太阳能的利用越来越受到人们的广泛重视,并网逆变技术的研究尤为重要.光伏发电并网控制的关键和难点在于如何防止系统干扰、保持并网电流和电网电压同步等问题.在光伏并网系统的控制策略方面,现有控制方法有滞环控制、双环控制、无差拍控制、重复控制和模糊控制等.滞环电流控制技术没有传统的电流调节器,功率器件的开关频率不固定,增加了系统参数设计的难度[2];双环控制具有固定的开关频率,易于系统的设计,但在开关频率不够高的情况下,电流动态响应相对较慢,并且电流动态偏差随着电流变化率的变化做出相应的变化[3];无差拍控制系统的鲁棒性不强,负载变化、非线性负载或者温度、运行条件等原因出现参数波动时,易造成系统的不稳定或输出性能恶化[4];重复控制虽然可以保证输出波形质量,但它的缺点是动态响应慢[5];模糊控制可以实现比常规控制方法更好的动态特性,但控制的精确性仍有待提高[6].由于常用的控制方法存在电流响应较慢、易受电网电压影响等因素,文中对电流跟踪方法进行研究改进,提高实时性和减少谐波畸变.1 单相并网逆变主电路拓扑结构单相并网逆变器的主电路拓朴结构是一个H桥,其结构如图1所示.通过四个功率器件(IGBT)的换相,可将直流能量转换成适合于并网的交流能量,由于电网反映电压源的特性,因此并网的能量应以电流源的形式出现.通过交流侧电感的滤波作用,逆变桥输出的SPWM电压波形转换成适合于馈入电网的正弦波电流波形.变压器起到将并网逆变系统与电网隔离的作用,可以保护逆变环节的电路.图1 并网逆变器主电路结构Fig.1 Main circuit structure of grid-connected inverter2 并网逆变器的控制模式并网逆变器的输出控制有电压控制方式和电流控制方式两种[6].以电流源为输入的逆变器,直流侧需要串联一个大电感来提供较稳定的直流输入,但这一大电感往往会导致系统动态响应差,因此当前世界范围内大部分的并网逆变器均采用电压源输入为主的方式.如果逆变器的输出采用电流控制,则实际上就是一个电流源与电压源并联运行的系统,这种情况下只需控制逆变器的输出电流跟踪电网电压的相位和频率,保持正弦输出,保证较高的并网功率因数,即可达到逆变器并网运行的目的,由于这种控制方法相对简单,因此使用比较广泛.文中所采用的并网逆变控制方式就是采用电压源输入、电流源输出的控制方式[7-8].2.1 并网逆变电流跟踪方法传统的SPWM电流跟踪控制方法将参考电流(直流采样经过最大功率处理后的电流)与并网电流的实时值进行比较,两者的偏差经PI调节后再与三角波比较,以输出PWM信号.此方法跟随误差较大;模拟电路较多;电流响应相对于瞬时值比较方式较慢.从图2可以清楚地看到,并网电流i c、电网电压U NET与逆变器交流侧电压U A三者之间的相量与相位关系[9].只要在实际控制中满足这种相位关系,就可以成功实现输出电流与电网电压同频及同相.图2 逆变器输出矢量三角形Fig.2 Inverter output vector triangle改进的SPWM电流跟踪方式全部是由数字信号处理器(DSP)控制,其工作原理是直接采样电网电压、实际并网电流和电网前馈电压,将这些采样值作为控制基准一起送给DSP,由DSP计算并输出PWM信号,分别驱动逆变桥的四只IGBT工作,逆变器输出的并网电流将会较好地跟踪参考电流,并始终与电网电压保持同频、同相,从而实现可再生能源以高功率因数回馈电网.改进型SPWM电流跟踪方式示意图如图3所示.i r是参考电流给定信号,i c是实际并网电流.这种控制方式采用两个闭环模式进行调节.图3 改进的SPWM电流跟踪方式示意图Fig.3 Diagram of imp roved SPWMcurrent track数字PI调节其物理意义就相当于在电感上产生的电压,PI调节值与电网前馈电压值U NET之和,其物理意义就相当于逆变器输出脉冲电压U A,构成了一个矢量三角形,与逆变器的输出向量关系图2相符.2.2 并网电流闭环控制系统数学模型电流跟踪闭环控制系统,要求快速跟随参考电流的瞬态变化.我们采用基于DSP的改进型SPWM电流跟踪方式.其控制过程是与电网同频同相位的参考电流给定值与实际的并网电流瞬时值反馈值进行比较,差值通过PI调节器处理后与引入的电网电压前馈补偿环节处理结果相综合,直接输出正弦波脉宽调制信号,经驱动电路放大,驱动功率开关器件工作,再由滤波环节产生与电网同频同相位的正弦波电流.由于采用了并网电流的闭环控制,使系统电流的动、静态性能都得到了提高,同时也使电网侧电流控制对系统参数不敏感,增强了控制系统的鲁棒性.我们在并网电流闭环控制系统中,加入电网电压前馈补偿,以抵消电网电压对并网电流的影响.具有前馈补偿的闭环控制框图如图4所示,其中G1(s)是PI调节环节,G2(s)是逆变环节,G3(s)是滤波环节,G4(s)是电网电压前馈补偿环节.图4 带有前馈补偿的闭环控制图Fig.4 Control chart of closed-loop with feed-forward com pensation单极性SPWM控制下的逆变环节可视为等效的线性比例环节[9].逆变器的传递函数为K PWM为比例常数,即逆变器的增益.由LC滤波电路可知,滤波器的传递函数可表示为式中:L为逆变器滤波电感;C为滤波电容.PI控制器的传递函数为并网系统加入PI调节后的开环传递函数为在并网系统中,电网电压可视为扰动信号,如不考虑采用电网电压的前馈补偿,则电网电压对并网电流的影响可以表示为若考虑用电网电压的前馈控制,则电网电压对并网电流i c的影响可以用下式表示:为了对电网扰动的误差全面补偿,在式(6)中,若令G4(s)=1/G2(s),则有 I(s)=0.通过电网电压的前馈控制,经前馈环节的特定设置,可以使得电网电压对输出电流的影响为零,从而在理论上达到了全补偿的要求.简单的说就是在系统中加入电压前馈补偿可以减少电网电压对并网电流的影响.在闭环控制系统中加入电压前馈补偿控制能有效地抑制电网电压对并网电流的影响,保证了逆变器输出正弦波并网电流的质量.3 单相并网逆变系统仿真3.1 PI算法仿真及分析通过Matlab分别针对加入PI控制环节和不加入PI控制环节用进行了仿真[10-11],上升时间取1 s.图5为不加PI控制环节的阶跃响应仿真图形,图6为加PI控制环节的阶跃响应仿真图形.由图5、图6分析,不加PI控制环节调整时间为1 s,而加入PI控制环节的调整时间为0.2 s.由此可见,PI控制环节的加入,减小了系统的调整时间、加快了系统响应速度,可靠性得到了提高.图5 不加PI控制环节的阶跃响应Fig.5 Step response without PI control图6 加入PI控制环节的阶跃响应Fig.6 Step response with PI control3.2 系统整体仿真条件及结果分析运用Matlab中的Simulink工具箱对系统进行仿真,在仿真模块中加入了 Total Harmonic Distorsion模块,如图7用于测量并网电流波形总谐波畸变含量.图7 谐波畸变测量模块Fig.7 Measurementmodule of harmonic distortion 单相光伏并网逆变系统仿真条件为,直流电压输入为200 V时,对20 A的参考电流进行仿真.按照我国电网频率50 H z进行的参数设置,图8中截取是0.1 s时间段的波形,图8(a)～(d)中的波形依次为SPWM波形、参考电流波形、并网电流波形、电网电压波形.图8 改进型方法的波形Fig.8 W aveform of the im proved method改进型方法的输出电流波形始终跟随参考给定电流的变化,且与电网电压同频、同相,几乎没有误差,但是由图7的谐波畸变测量模块测出传统方法的波形谐波畸变含量为2.21%;而改进型方法的输出电流波形谐波畸变含量为0.26%.由此可见,谐波畸变含量显著减小,改进型方法的电流波形有了较大的改善,加入了电压前馈补偿,可以抑制谐波畸变,电压前馈补偿得到有效的验证.4 结论1)通过对SPWM电流跟踪控制方式的改进,使输出的电流始终跟随参考电流的变化,且与电网电压同频率同相位,符合并网要求.2)由于采用了并网电流的闭环控制模式,加入了电压前馈补偿环节,有效的补偿了电网电压对并网电流的扰动,使系统电流的动态性能得到了提高,谐波畸变率显著减小.3)通过采用PI控制环节,减小了系统的调整时间、加快了系统响应速度,使系统实时性得到较大提高.参考文献:【相关文献】[1] K jaer S B,Pedersen J K,Blaab jerg F.A Review of Single-phase Grid-connected Inverters for Photovoltaic Modu les[J].IEEE Transactions on Industry App lications,2005,41(5):1292.[2] 雷元超,陈春根.滞环比较PWM跟踪控制分析[J].水电能源科学,2004(3):83.LEI Yuan-chao,CHEN Chun-gen.Hysteresis PWMTracking Control of Power[J].Hydropow er Energy and Science,2004(3):83.(in Chinese)[3] Buso S,Faso lo S,MattavelliP.Uninterruptible Power Supply Multiloop Control Employing Digital Predictive Vo ltageand Current Regu lators[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2001,37(6):1846.[4] Chihchiang H.Two-level Sw itching Pattern Deadbeat DSPControlledPWMInverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2001,10(3):310.[5] 熊健,史鹏飞,张凯,等.基于电压微分反馈控制和重复控制的逆变电源控制技术[J].电工电能新技术,2006,25(3):46.XIONG Jian,SH IPeng-fei,ZHANG Kai,et al.Based on Voltage Differential Feedback Control and Repetitive Contro l Inverter Control Technique[J].Power System Technology,2006,25(3):46.(in Chinese)[6] 陈江辉,谢运祥,陈兵.逆变电路的控制技术与策略[J].电气应用,2006,25(9):102.CHEN Jiang-hui,XIE Yun-xiang,CH EN Bing.Inverter Circuit Control Technology and Strategy[J].Electrical App lications,2006,25(9):102.(in Chinese)[7] LI Shao-lin,YANG Ping.Research on a SPWMInverter Power Supp ly System Based on DSP[J].IEEE Computer Society,2008(8):196.[8] Mustapha Raou.Average Current Mode Control of A Vo ltage Source Inverter[J].Journal of Electrical Engineering,2004(3):3.[9] Jung S L,Tzou Y Y.Discrete Sliding-mode Contro l of a PWMInverter for Sinusoidal Output Waveform Synthesis with Op timal Sliding Curve[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1999(11):567.(in Chinese)[10] 白继平,许德辉.基于MATLAB下的PID控制仿真[J].中国航海,2004(4):77.BA I Ji-ping,XU De-hui.PID Contro l Simulation Based on the MATLAB[J].China Sailing,2004(4):77.(in Chinese)[11] 薛定宇,陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2002.XUE Ding-yu,CHEN Yang-quan.System Simulation Technology Based on MATLAB/Simu link and Application[M].Beijing:Tsinghua University Press,2002.(in Chinese)。
并网逆变器输出电流滞环跟踪控制技术研究1. 本文概述随着可再生能源在全球能源结构中占据越来越重要的位置，如何高效地将这些能源并入电网成为了一个亟待解决的问题。
并网逆变器作为连接可再生能源与电网的关键设备，其性能直接影响到整个系统的稳定性和效率。
在众多并网逆变器控制技术中，输出电流的精确控制尤为重要，它不仅关系到电能质量，还影响到电网的稳定运行。
本文旨在深入研究并网逆变器的输出电流滞环跟踪控制技术。
本文将介绍并网逆变器的基本原理及其在电力系统中的作用。
接着，将详细阐述滞环跟踪控制技术的理论基础和关键优势，包括其在抑制谐波、提高系统响应速度和稳定性方面的贡献。
本文还将探讨该技术在实际应用中可能遇到的挑战和解决方案，以及如何通过优化算法进一步提升控制性能。
通过对现有文献的综述和理论分析，结合仿真实验和实际案例研究，本文期望为并网逆变器的控制技术提供新的见解，并为相关领域的研究者和工程师提供实用的参考和指导。
2. 并网逆变器基本原理并网逆变器是一种电力电子设备，它的主要功能是将直流电（DC）转换为交流电（AC），以便与电网系统并联运行。
在太阳能光伏系统、风力发电系统以及其他可再生能源系统中，逆变器是不可或缺的核心组件。
逆变器不仅负责电能的转换，还需要确保输出电流与电网电压同步，以实现有效的能量交换。
并网逆变器的工作原理基于开关电源技术，通过高频开关器件的快速开关动作，将直流电源转换成具有一定频率和幅值的交流电。
这些开关器件通常由晶体管、IGBT（绝缘栅双极晶体管）或其他半导体器件构成。
逆变器内部的控制系统根据电网电压的实时信息，调节开关器件的工作状态，以实现对输出电流的精确控制。
为了确保逆变器的输出电流能够与电网电压保持同步，通常采用一种称为“滞环控制”的技术。
滞环控制是一种简单而有效的电流控制策略，它通过设定两个电流幅值的界限（滞环上下界），来控制开关器件的导通和关断。
当输出电流超过上限时，逆变器会调整开关状态以减小电流当电流低于下限时，逆变器则会增加电流。
Z源光伏并网逆变器滞环控制技术研究的开题报告
一、选题背景
光伏发电已成为当今清洁能源领域的热点研究。
而光伏并网逆变器，作为连接电网和光伏阵列之间的重要装置，其性能、稳定性和可靠性对
光伏发电系统的运行和发展有着至关重要的影响。
目前，光伏电站在发电过程中存在着诸多问题，如变化的光照和温度、阴影和云层等因素的影响使得光伏阵列会出现电流和电压的突变，
导致光伏并网逆变器在变换直流电为交流电时出现大幅度的波动，进而
妨碍整个光伏系统的发电效率和输出功率。
因此，掌握光伏并网逆变器
的滞环控制技术，对于改善光伏电站的发电效率和稳定性将有着非常重
要的作用。
二、研究内容
本次研究旨在探究光伏并网逆变器滞环控制技术，具体研究内容包括：
1. 光伏发电系统的基本原理和技术特点。
2. 光伏并网逆变器控制策略的分析和研究，特别是滞环控制技术的
原理和应用。
其中，将重点研究滞环控制技术的稳定性、响应速度、抗
扰动性等方面的问题。
3. 基于MATLAB/Simulink建立光伏并网逆变器模型，验证滞环控制技术的有效性和可行性。
通过仿真实验，分析滞环控制技术在不同光照、温度和负载变化情况下的逆变器输出波形和电气参数变化，并与传统控
制策略进行比较。
三、预期成果
1. 掌握光伏发电系统的基本原理和技术特点。
2. 深入理解光伏并网逆变器控制策略的原理和应用，并研究滞环控制技术的优劣和适用范围等问题。
3. 建立光伏并网逆变器模型，并通过仿真实验验证滞环控制技术的有效性和可行性。
4. 提出针对滞环控制技术的改进方案，为进一步优化光伏电站的发电效率和稳定性提供有益的参考。
新能源并网逆变器控制策略研究综述与展望一、概述随着全球能源结构的转变和新能源技术的快速发展，新能源并网逆变器作为实现可再生能源并网发电的核心设备，其控制策略的研究与应用越来越受到关注。
新能源并网逆变器的主要功能是将光伏、风电等新能源产生的直流电能转换为交流电，并高效稳定地并入电网，以满足日益增长的清洁能源需求。
新能源并网逆变器的控制策略直接关系到其运行效率和稳定性，进而影响到整个新能源发电系统的性能。
传统的并网逆变器控制策略主要基于电压源逆变器控制方法，通过控制输出电压的幅值和频率，使逆变器的输出电压与电网电压保持同步。
随着新能源渗透率的不断提高，电网的复杂性和不确定性也在增加，传统的控制策略已难以满足现代电网的需求。
为此，研究者们提出了一系列改进的控制策略，如频率和电压双闭环控制策略、预测控制策略以及智能控制策略等。
这些策略通过引入先进的控制算法和优化方法，提高了并网逆变器的响应速度和稳定性，使其能够更好地适应复杂的电网环境。
展望未来，新能源并网逆变器的控制策略将继续朝着智能化、高效化和多样化的方向发展。
智能化控制策略将借助人工智能、大数据等技术，实现逆变器的自适应控制和优化运行。
高效化控制策略则通过采用新材料、新技术等手段，提高逆变器的功率密度和系统效率。
同时，随着新能源发电系统的规模化和多样化，控制策略也需要不断创新和完善，以适应各种应用场景和需求。
新能源并网逆变器的控制策略研究对于推动新能源发电技术的发展具有重要意义。
未来，我们需要在深入研究现有控制策略的基础上，不断探索新的控制方法和手段，为实现新能源发电的高效、稳定和安全运行提供有力支持。
1. 新能源并网逆变器的背景和重要性随着全球能源结构的转变和可再生能源的快速发展，新能源并网逆变器在电力系统中扮演着越来越重要的角色。
传统的化石能源日益枯竭，环境污染问题日益严重，这使得各国纷纷将目光投向了可再生能源，如太阳能、风能等。
这些可再生能源具有清洁、无污染、可再生的特点，符合可持续发展的要求。
电流滞环跟踪PWM控制技术摘要：电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术的仿真所采用的器件简单，利用simulink工具分析了在电流跟踪控制中采用滞环宽度并讨论了滞环宽度与开关频率和控制精度之间的关系，给出了各波形。
关键词：电流滞环控制脉宽控制滞环宽度控制法一、前言应用PWM控制技术的变压变频器一般都是电压源型的，它可以按需要方便地控制其输出电压，为此前面两小节所述的PWM控制技术都是以输出电压近似正弦波为目标的。
但是，在电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。
因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。
二、电流滞环跟踪控制原理常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪 PWM（Current Hysteresis Band PWM ——CHBPWM）控制，具有电流滞环跟踪 PWM 控制的 PWM 变压变频器的A相控制原理如1图所示。
图1 电流滞环跟踪控制的A相原理图图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。
将给定电流i*a 与输出电流i a进行比较，电流偏差∆i a超过时±h，经滞环控制器HBC控制逆变器A相上（或下）桥臂的功率器件动作。
B、C二相的原理图均与此相同。
采用电流滞环跟踪控制时，变压变频器的电流波形与PWM电压波形示于图6-23。
如果，i a < i*a ，且i*a - i a ≥h，滞环控制器 HBC输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件V1导通，变压变频器输出正电压，使增大。
当增长到与相等时，虽然，但HBC仍保持正电平输出，保持导通，使继续增大直到达到i a= i*a+ h， i a = –h，使滞环翻转，HBC输出负电平，关断V1 ，并经延时后驱动V4但此时未必能够导通，由於电机绕组的电感作用，电流不会反向，而是通过二极管续流，使受到反向钳位而不能导通。
第26卷第9期中国电机工程学报V ol.26 No.9 May 20062006年5月Proceedings of the CSEE ©2006 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2006) 09-0108-05 中图分类号：TM464; TM615 文献标识码：A 学科分类号：470⋅40并网逆变器输出电流滞环跟踪控制技术研究顾和荣，杨子龙，邬伟扬(燕山大学电气工程学院，河北省秦皇岛市 066004)Research on Hysteresis-band Current Tracking Control of Grid-connected InverterGU He-rong, YANG Zi-long, WU Wei-yang(Yanshan University，Qinhuangdao 066004, Hebei Province, China)ABSTRACT: The principle of two-level hysteresis control and three-level hysteresis control, which are employed in grid-connected PWM inverter, are dissertated in this paper. A grid-connected inverter system with novel three-level hysteresis control, which makes frequency doubling, is researched, and the state-transition control logic is designed. The comparison of three-level hysteresis control with two-level hysteresis control in the inverter’s efficiency, the ripple of current, switching frequency is complemented. The results of Pspice simulation and prototype experiment illustrate that three-level hysteresis control has the function of frequency-doubling, at the same conditions of current hysteresis width and output current. So the faster dynamic responsibility in lower switching frequency can be obtained with the three-level hysteresis control, the switching-loss of the power devices can be reduced, which is helpful to improve the efficiency of grid-connected operating. Also, the united power factor of grid-connected current can be obtained; the advantages of good stabilization and small current ripple can be brought.KEY WORDS: grid-connected inverter; two-level hysteresis control; three-level hysteresis control; switching frequency摘要：根据并网PWM逆变器运行特点，分析论述了两态滞环调制和三态滞环调制工作原理。
研究和设计了一种具有倍频效果的三态滞环控制逆变器并网系统及其状态转移控制逻辑。
在并网效率、并网电流脉动和开关频率等方面对两种滞环控制方式进行了对比研究。
Pspice仿真和样机实验验证了在输出电流和环宽设定相同的情况下，三态滞环调制较之两态电流滞环调制具有倍频控制的效果，可在相对低的开关频率下获得较快的动态响应，有利于降低功率管开关损耗，提高并网系统运行效率。
系统可实现功率因数为1的并网电流输出，且具有稳定性好、电流脉动小等优点。
基金项目：国家自然科学基金重点项目(50237020)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50237020)．关键词：并网逆变器；两态滞环控制；三态滞环控制；开关频率0 引言能源短缺是当今世界面临的重大问题，研究开发可再生能源发电系统具有重要意义[1-2]。
作为可再生能源发电系统中的关键环节，并网逆变器及其控制技术越来越受到关注[3-6]。
逆变器并网发电运行的主要控制问题是逆变器输出正弦波电流(即并网电流)控制技术，要求并网电流能实时跟踪电网电压频率、相位和并网容量给定的变化，且电流的总畸变失真要低，以减小对电网的谐波影响。
电流跟踪型PWM逆变器具有实时控制输出电流、响应快等优点，其控制方法分三角波调制[7-8]和滞环调制[9-11]两种方式。
三角波调制方式的开关频率固定，但响应速度慢。
滞环调制采用瞬时值比较方式，虽存在开关频率不固定的缺点使滤波器设计困难(可设计可变环宽控制策略使开关频率固定[12-13])，但它具有自动峰值限制能力，电流跟踪精度高、动态响应快、不依赖负载参数和无条件稳定等优点。
滞环调制方式又分两态调制和三态调制两种。
两态调制只有输入能量和回馈能量两个状态，故逆变器桥臂中点电压u AB是双极性变化的；而三态调制除了输入能量和回馈能量两个状态外，另有续流状态，u AB在半个输出周期内是单极性调制，在相同开关频率下电流脉动比两态调制时小[14-16]。
本文针对并网PWM逆变器运行特点，在分析论述两态滞环控制和三态滞环控制的工作原理基础上，研究和设计了一种具有倍频效果的三态滞环控制并网PWM逆变器系统，给出逆变器状态转移控制逻辑，并从开关频率、电流脉动等方面对比了两第9期 顾和荣等： 并网逆变器输出电流滞环跟踪控制技术研究 109种滞环控制方式的不同。
仿真和实验验证了理论分析结果，同时表明三态滞环控制在并网电流波形质量和效率方面都优于两态滞环控制。
1 并网逆变器电流滞环控制原理1.1 逆变器并网系统图1所示单相PWM 逆变器并网原理图。
直流源DC 可为太阳能、风能等可再生能源发电设备，逆变器负载为公共交流电网(220V/50Hz)。
电感电流i L 即为并网电流1(sin )d L AB s i u U t Lω=−∫ (1)式中u AB 为PWM 逆变器输出电压，sin s U t ω为电网电压。
在并网系统中，因为电网电压是固定的，所以可控制量只有并网电流。
滞环控制应用于控制逆变器并网电流，易于实现对电网电压频率和相位的实时跟踪，响应迅速且稳定性好。
采用滞环调制策略的控制系统如图2，由相位检测环节得到的同步信号与并网电流幅值给定一起送正弦波发生器，生成与电网电压同频同相的参考电流信号i ref ，再经滞环比较器对并网电流反馈信号*L i 与i ref 偏差进行调制得到开关管控制信号。
图1 单相并网PWM 逆变器原理图Fig.1 Grid-connected single-phase PWM inverter图2 并网系统控制原理图Fig. 2 The control schematic of grid-connected inverter1.2 两态滞环控制原理两态滞环控制原理是将参考电流与输出电流的误差与一个确定滞环阈值H 做比较，以确定两对开关管的开关逻辑，如图3所示。
在输出电流正半周，当误差超过滞环的上阈值，开关管S 2和S 3导通，S 1和S 4关断，AB d u U =−，电感电流减小，使误差减小；当误差低于滞环的下阈值，开关管S 1和S 4导通，S 2和S 3关断，d AB u U =，电感电流增大，使误差减小。
显见，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1t 和2t ，开关周期12T t t =+，电流变化环宽为H ，直流侧电压为d U ，电网电压为s u ，且d s U u >。
在足够高的开关频率下，由d /d u L i t =⋅得/L t i L u ∆=∆⋅(2)U u t t-△i图3 两态滞环控制原理Fig. 3 Two-level hysteresis control method在1t 时间内，开关管S 1和S 4导通，电感两端电压为0L AB s d s u u u U u =−=−>，电感电流L i 增大，变化量L i H ∆=，则1d sH Lt U u ⋅=− (3)在2t 时间内，开关管S 2和S 3导通，电感两端电压为0L AB s d s u u u U u =−=−−<，电感电流L i 减小，变化量L i H ∆=，则2()d s H L t U u −⋅=−− (4)一个开关周期的时间为1222d 2s dHLU T t t U u =+=− (5) 开关管的开关频率为22d d12sU u f THLU −==(6)每半个正弦周期开关次数总和为()2222d dddsin 2d 24s s U U t U U N t HLU HLU π0−π−π==∫(7) 由式(6)可得最大开关频率为d max 2Uf HL= (8)1.3 三态滞环控制原理三态滞环控制原理如图4所示，将参考电流与110 中 国 电 机 工 程 学 报 第26卷输出反馈电流的误差与滞环阈值H 做比较，当输出电流处于正半周时，误差超过滞环的上阈值，开关管S 1、S 3或S 2、S 4导通，0AB u =，电感电流下降，使得误差减小，当误差低于滞环的下阈值，开关管S 1、S 4导通，AB d u U =,电感电流上升，使误差减小。
输出电流处于负半周时，情况类似。
U u AB △图4 三态滞环控制原理图(i ref >0)Fig. 4 Three-level hysteresis control method (i ref >0)本文设计三态滞环控制器的控制逻辑如图5所示，当输出电流处于正半周时，AB u 的输出有d U 和0两种状态，当开关管S 1、S 4导通时，AB u 输出电压为d U ，当开关管S 1、S 3或S 2、S 4导通时，AB u 输出电压为0。
