三相光伏并網系統直接電流控制策略的研究

摘要：針對光伏并網的要求，采用同步旋轉坐標系下的PI解耦控制和電網電壓前饋的復合控制策略，以及固定載波頻率的空間矢量脈寬調制(SVPWM)來驅動逆變器，并搭建了基于TMS320F2812的三相光伏并網逆變系統實驗模型。實驗結果表明，該系統具有良好的動靜態性能，并網電流正弦度高，并始終能跟隨電網電壓的相位和頻率，達到光伏并網的要求。
關鍵詞：光伏并網；直接電流控制；前饋解耦

1 引 言
隨著全球化石燃料的日益枯竭，大力發展可再生資源成為當務之急。太陽能發電作為其中一個熱點，得到了大力支持和發展。而太陽能發電只有進入電力系統大規模應用，才能真正對緩解能源緊張和抑制環境污染起到積極作用，因此光伏并網發電的迅猛發展是必然的。光伏并網需滿足一定的技術要求，輸出交流量應與電網電壓同頻同相，并滿足功率因數為1，為此，系統需采用有效的控制策略。這里采用基于前饋解耦SVPWM的電流控制策略，該方法動靜態性能良好，并可以消除電網電壓對并網電流的擾動。

2 光伏并網逆變系統
圖1為三相光伏并網逆變系統主電路，采用三相VSI拓撲。ua，ub，uc為逆變器交流側輸出電壓；ia，ib，ic為逆變器并網輸出電流；ea，eb，ec為電網電壓；L為輸出濾波電感；R為輸出等效電阻。

三相逆變器在三相對稱時，可簡化為圖2a所示等效電路，eg為交流電源電壓，L為功率電感，R為電網電勢內阻和功率電感電阻之和，us為直流側電壓經過逆變后的等效電壓。圖2b為電壓電流矢量圖。

根據基爾霍夫定律，忽略輸出端電阻的影響，交流側三相電感電流的回路方程即逆變器的數學模型為：
Ldik／dt=uk-ek，k=a，b，c (1)

3 并網控制策略
由圖2b可知，要完成對交流側電流、功率因數的控制，關鍵是對is的控制。對is的控制存在間接電流控制和直接電流控制兩種，此處采用直接電流控制方式。根據直接電流控制的概念，對于并網型逆變器而言，為了獲得與電網電壓同步的給定正弦電流波形，通常用電網電壓信號乘以電流有功給定，產生正弦參考電流波形，然后使其輸出電流跟蹤此指令電流，具有控制電路相對簡單、對系統參數的依賴性低、系統動態響應快等優點。直接電流控制方法主要包括滯環控制、無差拍控制和結合PI控制的三角波控制等。其中PI控制是一種線性的控制方式，開關頻率固定，實現簡單，具有良好的動態響應特性和較強的魯棒性，因此得到了廣泛應用。
由式(1)可知，直接對ia，ib，ic進行PI控制會產生穩態誤差，無法做到無靜差跟蹤，不利于系統的控制設計。因此根據三相并網逆變器輸出電流在同步旋轉坐標系下能變換成近似直流量的特點，將三相對稱a，b，c靜止坐標系轉換成為電網頻率同步旋轉的d，q坐標系，得到三相交流側電流在d，q坐標系下的數學模型為：

由上式可知，d，q軸電流受交流側電壓矢量ud，uq的控制，同時也受耦合電壓ωLid，ωLiq的擾動及電網電壓ed，eq的影響，d，q軸變量互相耦合，給控制策略的設計造成了困難。因此，在控制輸出電流id和iq時，需對它們實施前饋解耦控制，使得d，q軸相互獨立控制?；诖?，加入電流前饋控制環節，經過電流PI調節后的參考控制電壓可以按式(3)進行設計：