三相光伏并网系统直接电流控制策略的研究

摘要：针对光伏并网的要求，采用同步旋转坐标系下的PI解耦控制和电网电压前馈的复合控制策略，以及固定载波频率的空间矢量脉宽调制(SVPWM)来驱动逆变器，并搭建了基于TMS320F2812的三相光伏并网逆变系统实验模型。实验结果表明，该系统具有良好的动静态性能，并网电流正弦度高，并始终能跟随电网电压的相位和频率，达到光伏并网的要求。
关键词：光伏并网；直接电流控制；前馈解耦

1 引 言
随着全球化石燃料的日益枯竭，大力发展可再生资源成为当务之急。太阳能发电作为其中一个热点，得到了大力支持和发展。而太阳能发电只有进入电力系统大规模应用，才能真正对缓解能源紧张和抑制环境污染起到积极作用，因此光伏并网发电的迅猛发展是必然的。光伏并网需满足一定的技术要求，输出交流量应与电网电压同频同相，并满足功率因数为1，为此，系统需采用有效的控制策略。这里采用基于前馈解耦SVPWM的电流控制策略，该方法动静态性能良好，并可以消除电网电压对并网电流的扰动。

2 光伏并网逆变系统
图1为三相光伏并网逆变系统主电路，采用三相VSI拓扑。ua，ub，uc为逆变器交流侧输出电压；ia，ib，ic为逆变器并网输出电流；ea，eb，ec为电网电压；L为输出滤波电感；R为输出等效电阻。

三相逆变器在三相对称时，可简化为图2a所示等效电路，eg为交流电源电压，L为功率电感，R为电网电势内阻和功率电感电阻之和，us为直流侧电压经过逆变后的等效电压。图2b为电压电流矢量图。

根据基尔霍夫定律，忽略输出端电阻的影响，交流侧三相电感电流的回路方程即逆变器的数学模型为：
Ldik／dt=uk-ek，k=a，b，c (1)

3 并网控制策略
由图2b可知，要完成对交流侧电流、功率因数的控制，关键是对is的控制。对is的控制存在间接电流控制和直接电流控制两种，此处采用直接电流控制方式。根据直接电流控制的概念，对于并网型逆变器而言，为了获得与电网电压同步的给定正弦电流波形，通常用电网电压信号乘以电流有功给定，产生正弦参考电流波形，然后使其输出电流跟踪此指令电流，具有控制电路相对简单、对系统参数的依赖性低、系统动态响应快等优点。直接电流控制方法主要包括滞环控制、无差拍控制和结合PI控制的三角波控制等。其中PI控制是一种线性的控制方式，开关频率固定，实现简单，具有良好的动态响应特性和较强的鲁棒性，因此得到了广泛应用。
由式(1)可知，直接对ia，ib，ic进行PI控制会产生稳态误差，无法做到无静差跟踪，不利于系统的控制设计。因此根据三相并网逆变器输出电流在同步旋转坐标系下能变换成近似直流量的特点，将三相对称a，b，c静止坐标系转换成为电网频率同步旋转的d，q坐标系，得到三相交流侧电流在d，q坐标系下的数学模型为：

由上式可知，d，q轴电流受交流侧电压矢量ud，uq的控制，同时也受耦合电压ωLid，ωLiq的扰动及电网电压ed，eq的影响，d，q轴变量互相耦合，给控制策略的设计造成了困难。因此，在控制输出电流id和iq时，需对它们实施前馈解耦控制，使得d，q轴相互独立控制。基于此，加入电流前馈控制环节，经过电流PI调节后的参考控制电压可以按式(3)进行设计：