詳解與公用電網(wǎng)相連的逆變器在建模與控制方面電路設(shè)計

本文介紹了并網(wǎng)逆變器的建模與控制，討論了各個領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，并詳細(xì)闡述了最適用的技術(shù)。本文所提到的技術(shù)既可用于單相和三相逆變器，也可用于三相逆變器中的任意級數(shù)。本文對電網(wǎng)同步、防孤島控制、電流調(diào)節(jié)算法、PWM生成技術(shù)和獨立逆變器控制等內(nèi)容進(jìn)行了探討，并以數(shù)字控制格式提出了控制算法；該格式適用于使用數(shù)字信號處理器的嵌入式控制。

據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，2006年全球風(fēng)力發(fā)電廠總發(fā)電量已達(dá)22,199 GWh，比2005年增長了6.48%。這說明風(fēng)力發(fā)電量已能滿足總需求電量的9%。然而，大多數(shù)可替代能源系統(tǒng)都無法提供穩(wěn)定的能源。在一天之內(nèi)，風(fēng)速、太陽輻射照度、水流速度可能會發(fā)生很大的變化。需要一個穩(wěn)定的電網(wǎng)接口來過濾可再生能源的波動，為用戶提供可靠的電力。大多數(shù)可再生能源都連接到電網(wǎng)，能源的源端大多以直流電的形式存在。太陽能光伏電池可提供直流電壓，中小型風(fēng)力發(fā)電機能夠輸出交流電，這些交流電隨后可轉(zhuǎn)換成直流電。借助逆變器，可以將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能。直流端的控制目標(biāo)是捕捉到最大的能量，并將其傳輸?shù)焦秒娋W(wǎng)中。產(chǎn)生的交流電能，必須能兼容交流公用電網(wǎng)中逆變器與公用電網(wǎng)連接點處的電能。

如此多的分布式系統(tǒng)廣泛滲透到公用電網(wǎng)中，帶來了許多問題。如果以不規(guī)范的方式接入公用電網(wǎng)，則可能影響電能的質(zhì)量并威脅維護人員或系統(tǒng)用戶的安全。目前，有關(guān)方面已制定出多項標(biāo)準(zhǔn)來約束并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)的連接。

并網(wǎng)逆變器的共同特性是具有一種特定的算法，可最大限度增加從可再生能源中提取的電能。在太陽能光伏系統(tǒng)中，這通常是指最大功率點跟蹤(MPPT)技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電機組也同樣尋求能量捕捉的最大化，但這通常需要強制渦輪以最大的氣動效率工作才能實現(xiàn)。從理論上來說，這是一種MPPT技術(shù)，但它涉及的并不僅僅是并網(wǎng)逆變器。太陽能光伏系統(tǒng)的最大功率點跟蹤技術(shù)

典型的太陽能光伏系統(tǒng)由一個太陽能光電板陣列組成。太陽能光電板能夠?qū)⑻柟廪D(zhuǎn)換為直流電能；直流電能的強度與到達(dá)太陽能光電板的太陽輻照度成正比。借助逆變器，可以將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能?？捎玫奶柲軘?shù)量與輻照度、溫度和光電板的新舊程度有關(guān)，因此，如未測量太陽的輻照度和光電板的溫度，很難對可用的太陽能數(shù)量進(jìn)行估算。傳感元件會增加額外的成本。即便應(yīng)用了傳感元件，估算的值也不精確。陽光經(jīng)常被遮擋住，這會影響光電板陣列的性能。另外，光電板的新舊程度也會影響它的性能。逆變器需要自動調(diào)整功率輸出，以便隨時捕捉最大的可用功率。這種從太陽能光電板上捕捉最大可用功率的算法，被稱為MPPT。太陽能電池板陣列的電壓特性和電流特性要求：在任何太陽輻照度和電池板環(huán)境下，都必須提供能從陣列中獲得最大功率的最佳工作條件。逆變器需要主動搜索最大功率點。當(dāng)逆變器處于瞬態(tài)且未在穩(wěn)態(tài)條件下振蕩時，理想的MPPT算法應(yīng)能迅速將逆變器調(diào)整為能夠獲得最大功率的狀態(tài)。緩動、振蕩MPPT算法都會浪費捕捉可用功率的機會。振蕩算法還可能導(dǎo)致陣列電壓崩潰。從太陽能光伏系統(tǒng)中獲取穩(wěn)定的最大功率，取決于嵌入式處理器讀取、處理并響應(yīng)逆變器物理變量的精度和速度。

電網(wǎng)同步

相位跟蹤系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的一個重要組成部分。它既影響逆變器輸出的功率因數(shù)控制，也影響逆變器輸出電流的諧波含量。理想情況下，相位跟蹤算法應(yīng)該既能快速響應(yīng)電網(wǎng)定相的變化，也能屏蔽電網(wǎng)電壓中的噪音和高次諧波。目前已提出了很多算法，最早的相位跟蹤算法以零交越檢波為基礎(chǔ)。當(dāng)電網(wǎng)電壓零交越時，逆變器輸出電流將與電網(wǎng)同步。該算法可能會受到電網(wǎng)電壓中噪音和高次諧波的影響。此外，零交越檢波存在速度問題，它在每個電網(wǎng)周期中只能對電網(wǎng)定相做出兩次響應(yīng)。借助開、閉環(huán)技術(shù)，許多濾波技術(shù)已可以實現(xiàn)電網(wǎng)定相估算。

鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)已成為一種用來估算電網(wǎng)相位的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。通過補償器設(shè)計，可以調(diào)整收斂速度、穩(wěn)態(tài)噪聲和抗干擾性能。PLL在跟蹤電網(wǎng)相位方面表現(xiàn)良好，即使電網(wǎng)電壓中出現(xiàn)高次諧波時也不例外。但當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時，PLL的性能可能變差。使用前置濾波器技術(shù)或后置濾波技術(shù)，可以避免公用電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生失衡。

時變?nèi)嚯娋W(wǎng)電壓便于實現(xiàn)控制目的。為操控自然模型，我們通過轉(zhuǎn)換功能把一個參考坐標(biāo)系的量轉(zhuǎn)換為另一個參考坐標(biāo)系的量。通過一次轉(zhuǎn)換可將三相耦合電壓(abc坐標(biāo)系)轉(zhuǎn)換為兩相去耦電壓(αβ坐標(biāo)系)。第二次轉(zhuǎn)換將一個參考坐標(biāo)系中的量轉(zhuǎn)換為第二個參考坐標(biāo)系的量(dq坐標(biāo)系，與第一個坐標(biāo)系相差一個相角)。PLL的目的是估算公用電網(wǎng)系統(tǒng)的相角。綜合以上兩個將三相電網(wǎng)abc量轉(zhuǎn)換成dq量的轉(zhuǎn)換過程，可知：

轉(zhuǎn)換完成后，兩相去耦電網(wǎng)電壓變?yōu)椋?/span>

當(dāng)φ接近θ時，vd (t)變?yōu)?。為達(dá)到控制目的，將其線性化為： vd (t)=(θ ? φ)

借助合理的環(huán)路濾波器設(shè)計，?(PLL頻率值)和?(相位值)可分別用于跟蹤ω(電網(wǎng)頻率值)和θ(相角值)。在二階環(huán)路中用到的比例積分(PI)型濾波器的計算公式如下：