详解与公用电网相连的逆变器在建模与控制方面电路设计

本文介绍了并网逆变器的建模与控制，讨论了各个领域的先进技术，并详细阐述了最适用的技术。本文所提到的技术既可用于单相和三相逆变器，也可用于三相逆变器中的任意级数。本文对电网同步、防孤岛控制、电流调节算法、PWM生成技术和独立逆变器控制等内容进行了探讨，并以数字控制格式提出了控制算法；该格式适用于使用数字信号处理器的嵌入式控制。

据全球风能协会数据显示，2006年全球风力发电厂总发电量已达22,199 GWh，比2005年增长了6.48%。这说明风力发电量已能满足总需求电量的9%。然而，大多数可替代能源系统都无法提供稳定的能源。在一天之内，风速、太阳辐射照度、水流速度可能会发生很大的变化。需要一个稳定的电网接口来过滤可再生能源的波动，为用户提供可靠的电力。大多数可再生能源都连接到电网，能源的源端大多以直流电的形式存在。太阳能光伏电池可提供直流电压，中小型风力发电机能够输出交流电，这些交流电随后可转换成直流电。借助逆变器，可以将直流电能转换为交流电能。直流端的控制目标是捕捉到最大的能量，并将其传输到公用电网中。产生的交流电能，必须能兼容交流公用电网中逆变器与公用电网连接点处的电能。

如此多的分布式系统广泛渗透到公用电网中，带来了许多问题。如果以不规范的方式接入公用电网，则可能影响电能的质量并威胁维护人员或系统用户的安全。目前，有关方面已制定出多项标准来约束并网逆变器与电网的连接。

并网逆变器的共同特性是具有一种特定的算法，可最大限度增加从可再生能源中提取的电能。在太阳能光伏系统中，这通常是指最大功率点跟踪(MPPT)技术。风力发电机组也同样寻求能量捕捉的最大化，但这通常需要强制涡轮以最大的气动效率工作才能实现。从理论上来说，这是一种MPPT技术，但它涉及的并不仅仅是并网逆变器。太阳能光伏系统的最大功率点跟踪技术

典型的太阳能光伏系统由一个太阳能光电板阵列组成。太阳能光电板能够将太阳光转换为直流电能；直流电能的强度与到达太阳能光电板的太阳辐照度成正比。借助逆变器，可以将直流电能转换为交流电能。可用的太阳能数量与辐照度、温度和光电板的新旧程度有关，因此，如未测量太阳的辐照度和光电板的温度，很难对可用的太阳能数量进行估算。传感元件会增加额外的成本。即便应用了传感元件，估算的值也不精确。阳光经常被遮挡住，这会影响光电板阵列的性能。另外，光电板的新旧程度也会影响它的性能。逆变器需要自动调整功率输出，以便随时捕捉最大的可用功率。这种从太阳能光电板上捕捉最大可用功率的算法，被称为MPPT。太阳能电池板阵列的电压特性和电流特性要求：在任何太阳辐照度和电池板环境下，都必须提供能从阵列中获得最大功率的最佳工作条件。逆变器需要主动搜索最大功率点。当逆变器处于瞬态且未在稳态条件下振荡时，理想的MPPT算法应能迅速将逆变器调整为能够获得最大功率的状态。缓动、振荡MPPT算法都会浪费捕捉可用功率的机会。振荡算法还可能导致阵列电压崩溃。从太阳能光伏系统中获取稳定的最大功率，取决于嵌入式处理器读取、处理并响应逆变器物理变量的精度和速度。

电网同步

相位跟踪系统是控制系统的一个重要组成部分。它既影响逆变器输出的功率因数控制，也影响逆变器输出电流的谐波含量。理想情况下，相位跟踪算法应该既能快速响应电网定相的变化，也能屏蔽电网电压中的噪音和高次谐波。目前已提出了很多算法，最早的相位跟踪算法以零交越检波为基础。当电网电压零交越时，逆变器输出电流将与电网同步。该算法可能会受到电网电压中噪音和高次谐波的影响。此外，零交越检波存在速度问题，它在每个电网周期中只能对电网定相做出两次响应。借助开、闭环技术，许多滤波技术已可以实现电网定相估算。

锁相环(PLL)技术已成为一种用来估算电网相位的行业标准。通过补偿器设计，可以调整收敛速度、稳态噪声和抗干扰性能。PLL在跟踪电网相位方面表现良好，即使电网电压中出现高次谐波时也不例外。但当电网电压不平衡时，PLL的性能可能变差。使用前置滤波器技术或后置滤波技术，可以避免公用电网系统产生失衡。

时变三相电网电压便于实现控制目的。为操控自然模型，我们通过转换功能把一个参考坐标系的量转换为另一个参考坐标系的量。通过一次转换可将三相耦合电压(abc坐标系)转换为两相去耦电压(αβ坐标系)。第二次转换将一个参考坐标系中的量转换为第二个参考坐标系的量(dq坐标系，与第一个坐标系相差一个相角)。PLL的目的是估算公用电网系统的相角。综合以上两个将三相电网abc量转换成dq量的转换过程，可知：

转换完成后，两相去耦电网电压变为：

当φ接近θ时，vd (t)变为0。为达到控制目的，将其线性化为： vd (t)=(θ − φ)

借助合理的环路滤波器设计，ŵ(PLL频率值)和ϕ(相位值)可分别用于跟踪ω(电网频率值)和θ(相角值)。在二阶环路中用到的比例积分(PI)型滤波器的计算公式如下：