单相并网逆变器的Deadbeat控制

电力电子技术Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ第 ４１ 卷第 ２ 期２００７ 年 ２ 月Ｖｏｌ．４１ ， Ｎｏ．２Ｆｅｂｒｕａｒｙ ， ２００７１ 引 言光伏发电、 燃料电池等分布式电源系统被认为是将来最有大规模开发和利用价值的电能来源 ［１］ 。要将它们输出的直流电能输入到 ２２０Ｖ 交流电网中， 需要一个与电网连接的接口， 即并网逆变器来实现。对于一些广泛使用的家用式分布电源 ［２］ ， 如屋顶光伏发电系统， 其输出功率较小， 并网逆变器接入的也是单相电网。无差拍控制 （ Ｄｅａｄｂｅａｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ ） 是一种基于电路模型和状态观测器的控制方法 ［３］ ， 它与传统的 ＰＩ控制算法相比，能更大限度地发挥数字控制器的优势。无差拍控制的基本思想是根据本周期以前的采样值，用模型计算出要达到指定的状态和输出， 所需的方波脉冲宽度和极性。通过调整一个周期内的方波脉冲宽度和极性，使输出电流值与下一采样时刻值相吻合。不断调整每一采样周期内方波脉冲的极性与宽度，就能使输出的实际电流波形接近于指令电流波形，从而在很低的开关频率下， 也能得到高质量的输出电流波形。在此提出一种单相并网逆变器的无差拍电流控制方法， 利用 Ｍａｔｌａｂ７．０ 中 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 对其控制方法进行了仿真和实验验证。２ 系统的模型图 １ 示出逆变器与电网连接的电路图。输入直流电源 Ｕ ｄ 经过脉宽调制 （ ＰＷＭ ） 逆变器后， 通过滤波电感 Ｌ 与电网电压 ｕ ｎ 连接， 输入电网的电流 ｉ 与ｕ ｎ 分别通过传感器测量并通过放大电路接到 ＤＳＰ的 Ａ／Ｄ 采样端口。通过调整 ＤＳＰ 的 ＣＭＰＲ 寄存器值的大小， 得到每个周期内 Ｕ ｄ 的极性和电感充放电的时间， 从而控制入网电流 ｉ 的大小和方向。 在实际情况下， 逆变器有 ４ 种工作状态。 图 ２ 示出 Ａ ， Ｂ ， Ｃ ， Ｄ ４ 种等效充放电模型。 取图中 ｉ 从左向右为正向。 当 ｉ 为正时， Ａ 为充电状态， Ｂ 为放电状态；当 ｉ 为负时， Ｃ 为充电状态， Ｄ 为放电状态。单相并网逆变器的 Ｄｅａｄｂｅａｔ 控制黄文俊 ， 余晓建 ， 沈永林（清华大学， 北京 １０００８４ ）摘 要 并网逆变器是分布式电源系统向电网输入功率的主要接口。在此分析了单相并网逆变器的无差拍（ Ｄｅａｄｂｅａｔ ） 电流控制方法。仿真结果及实验表明， 无差拍控制方法有非常快的响应速度， 可使输出电流准确、 迅速地跟踪电网电压， 与电网电压同频同相， 向电网输出高质量的电能。关键词 逆变器； 控制； 电源 ／ 分布式电源； 无差拍中图分类号 ＴＭ４６４ ， ＴＭ７２ 文献标识码 Ａ 文章编号 １０００－ １００Ｘ （ ２００７ ） ０２－ ００１０－ ０３Ｄｅａｄｂｅａｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈａｓｅ Ｇｒｉｄ－Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ＩｎｖｅｒｔｅｒＨＵＡＮＧ Ｗｅｎ－ｊｕｎ ， ＹＵ Ｘｉａｏ－ｊｉａｎ ， ＳＨＥＮ Ｙｏｎｇ－ｌｉｎ（ Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４ ， Ｃｈｉｎａ ）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｇｒｉｄ －ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｌｉｎｋｉｎｇ ｔｏ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｕｔｉｌｉｔｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｈｅ ｄｅａｄｂｅａｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅ ａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｖｅｒｙ ｆａｓｔ ｏｕｔｐｕｔ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃａｎ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｃｅｓ ｔｈｅ ｇｒｉｄｖｏｌｔａｇｅ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ａｎｄ ｑｕｉｃｋｌｙ ， ａｎｄ ｈａｓ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ａｓ ｕｔｉｌｉｔｙ ｇｒｉｄ ， ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｅｘｐｏｒｔｉｎｇ ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙｐｏｗｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ｔｏ ｔｈｅ ｇｒｉｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ； ｃｏｎｔｒｏｌ ； ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ／ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ； ｄｅａｄｂｅａｔ定稿日期 ２００６－ ０８－ ２１作者简介 黄文俊 （１９７８－ ） ， 男 ， 湖北浠水人 ， 硕士生 。 研究方向为分布式电源系统 。图 １ 并网逆变器与电网连接的电路图图中 Ｒ 线路等效电阻１０３ 无差拍电流控制方法图 １ 中全桥电路的 ４ 个开关控制脉冲分别为 ＤＳＰ的脉冲输出 ＰＷＭ １ ～ ＰＷＭ ４ 。 不计死区的影响， ＰＷＭ 输出所对应的通用定时器按连续增 ／ 减计数模式计数 ［ ４］ 。当计数器的值等于比较寄存器 ＣＭＰＲ 的值时， ＶＳ １ 开通， ＶＳ ２ 关闭。 设一个周期内脉冲数为 ２Ｎ ， 当计数器的值等于 Ｎ 减 ＣＭＰＲ 时， ＶＳ ３ 开通， ＶＳ ４ 关断。以电网电压 ｕ ｎ 的正半周为例，此时入网电流 ｉ的方向为正， 如图 ２ａ ， ｂ 所示， 则有Ｌ Δ ｉ＝Ｔ０ ｕ ｏ ｄｔ＋Ｔ０（ － ｉＲ－ ｕ ｎ ） ｄｔ＝Ｕ ｄ Δ Ｔ－ Ｉ“ＲＴ－ Ｕ ｎ Ｔ （ １ ）式中 Δ Ｔ ＶＳ １ ， ＶＳ ４ 同时开通的时间由式 （ １ ） 可得在 ｋＴ 到 （ ｋ＋１ ） Ｔ 时间内的开通时间为 Δ Ｔ（ ｋ ） ＝ ｛ Ｌ［Ｉ＊（ ｋ ） － ｉ（ ｋ ） ］＋Ｉ “（ ｋ ） ＲＴ＋Ｕ ｎ（ ｋ ） Ｔ｝Ｕ ｄ（ ２ ）式中 Ｉ“（ ｋ ） ， Ｕ ｎ（ ｋ ） 第 ｋ 个周期内输出电流与电网电压的平均值设定输出电流在第 ｋ 个周期末的值为 Ｉ ＊（ ｋ ） ， 则Δ Ｔ（ ｋ ） 是使输入电网的电流 ｉ（ ｋ ） 在第 ｋ 个周期内调整到 Ｉ ＊（ ｋ ） 理论上所需的 ＶＳ １ 和 ＶＳ ４ 同时开通的时间。由式 （ ２ ） 知 Ｉ ＊（ ｋ ） ， ｉ（ ｋ ） ， Ｉ“（ ｋ ） 和 Ｕ ｎ（ ｋ ） 的值， 就可算出下一周期的 Δ Ｔ（ ｋ ） 。在实际控制系统中， 考虑到 Ａ／Ｄ 转换时间和计算时间，为了尽可能消除控制误差， 做到无差拍， 则必须利用第 ｋ 个周期以前的输出状态和反馈来对第 ｋ 个周期状态量进行预测， 根据预测值计算出 Δ Ｔ（ ｋ ） 。图 ３ 示出计算及控制过程示意图。Ｉ ＊（ ｋ ） ， Ｕ ｎ（ ｋ ） 等状态由以前的反馈量估计得到，在第 ｋ－ １ 个周期中算出 Δ Ｔ（ ｋ ） ， 在第 ｋ 个周期中调节输出电流。由于入网电流 ｉ 与电网电压 ｕ ｎ 同频同相，实际系统中参考电流由 ｕ ｎ 上升过零点在 ＤＳＰ 内部用 ＩＱ函数同步产生， 频率取上周期的频率值。 仿真中为简单起见，设定入网参考电流的幅值与电网电压幅值的比为 ｒａｔｉｏ ，则第 ｋ 个周期末的电流控制目标值与第 ｋ 个周期开始时的电流差值为 Δ ｉ＝Ｉ ＊（ ｋ ） － ｉ（ ｋ ） ＝ｒａｔｉｏ Ｕｎ（ ｋ＋１ ） － ｉ（ ｋ ） （ ３ ）式中 Ｕ ｎ（ ｋ＋１ ） 第 ｋ＋１ 周期初的 ｕ ｎ 估计值由上一周期的 ＶＳ １ ， ＶＳ ４ 同时开通时间 Δ Ｔ（ ｋ－ １ ）及式 （ ２ ） 可得 ｉ（ ｋ ） 的估计值为ｉ（ ｋ ） ＝ ［Ｕ ｄ Δ Ｔ（ ｋ－ １ ） － Ｉ“（ ｋ－ １ ） ＲＴ－ Ｕｎ（ ｋ－ １ ） Ｔ］Ｌ＋ｉ （ ｋ－ １ ） （ ４ ）对状态观测器进行状态量预测是实现无差拍控制的关键， 考虑到实际中 ＤＳＰ 运算速度的限制和定点运算导致精度的损失，复杂的预测方法并不适用于这种实时的并网逆变器控制。 在此对 ｕ ｎ 的预测采用正弦曲线拟合的方法，对 ｉ 用 Ｌａｇｒａｎｇｅ 三阶外插算法进行预测。设 ｕ ｎ 在第（ ｋ－ ２ ） Ｔ ，（ ｋ－ １ ） Ｔ ，（ ｋ＋１ ） Ｔ时刻的值分别为 ｕ ｎ（ ｋ－ ２ ） ， ｕ ｎ（ ｋ－ １ ） ， ｕ ｎ（ ｋ＋１ ） ， 在第 ｋＴ时刻， ｕ ｎ 的相位为 θ ， 相邻两次采样时刻的正弦波相位差为 “ ＝１００ π Ｔ 。则有ｕ ｎ（ ｋ－ ２ ） ＝ｕ ｎ ｓｉｎ （ θ － ２ “ ）ｕ ｎ（ ｋ－ １ ） ＝ｕ ｎ ｓｉｎ （ θ － “ ）Ｕ ｎ（ ｋ＋１ ） ＝ｕ ｎ ｓｉｎ （ θ ＋ “’’ ）（ ５ ）根据式 （ ５ ） 得Ｕ ｎ（ ｋ＋１ ） ＝ ［－ ｕ ｎ（ ｋ－ ２ ） ｓｉｎ （ ２ “ ） ＋ｕ ｎ（ ｋ－ １ ） ｓｉｎ （ ３ “ ） ］ｓｉｎ “ （ ６ ）ｉ（ ｋ ） 可由式 （ ４ ） 计算， 假设 ｉ 在第 ｋ 个周期内线性变化， 则根据 ［０ ， ｉ（ ｋ－ ２ ） ］ ， ［１ ， ｉ（ ｋ－ １ ） ］ 和 ［２ ， ｉ（ ｋ ） ］ ， 由Ｌａｇｒａｎｇｅ 三阶外插算法计算 ［２．５ ， Ｉ“（ ｋ ） ］ ， 得到Ｉ“Ｌ（ ｋ ） ＝０．３７５ｉ Ｌ（ ｋ－ ３ ） － １．２５ｉ Ｌ（ ｋ－ ２ ） ＋１．８７５ｉ Ｌ（ ｋ－ １ ） （ ７ ）由于考虑了采样和计算延时的影响， 采用了状态观测器进行状态预测来减少控制误差，提高系统的电流跟踪精度和鲁棒性。另外， 由于并网逆变器中的参数相对固定，而且要求输出电流能有较高的质量和较快的响应速度，所以比较适合使用无差拍方法予以实现。４ Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 仿真模型ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ 工具箱中提供了专门用于电气控制系统的各种模型， 大大简化了复杂电路建模。图 ３ 计算及控制过程示意图单相并网逆变器的 Ｄｅａｄｂｅａｔ 控制图 ２ Ａ ， Ｂ ， Ｃ ， Ｄ ４ 种等效充放电模型１１电力电子技术Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ第 ４１ 卷第 ２ 期２００７ 年 ２ 月Ｖｏｌ．４１ ， Ｎｏ．２Ｆｅｂｒｕａｒｙ ， ２００７图 ４ 建立的 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 仿真模型图 ５ ｉ 跟踪 ｕ ｎ 的仿真结果图 ６ 实验结果Ｍａｔｌａｂ 还提供了一种非常强大的函数 Ｓ－ 函数，它是扩展 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 功能的有力工具。 Ｓ－ 函数实质上是具有特殊调用格式的 Ｍａｔｌａｂ 函数， 它使用特定的语法使动态系统具有交互功能， 以连续、 离散或连续离散混合方式最大程度地使自身与系统相适应， 表征系统动态特性 ［５］ 。在 Ｓ－ 函数的对应接口中填入相应的无差拍算法代码，可很方便地将算法与电路仿真模型结合起来。图 ４ 示出建立的 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 仿真模型。逆变器使用 Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｂｒｉｄｇｅ 模块的 ＩＧＢＴ／ 二极管开关器件模型，电网相当于一个 ２２０Ｖ ， ５０Ｈｚ 交流电压源， 输入简化为一个直流电压源， 无差拍控制器模块输 出 为 下 一 周 期 ＰＷＭ 波 的 占 空 比 ， 由 ＰＷＭＧｅｎｅｒａｔｏｒ 模块自动产生 ＰＷＭ 波，以控制逆变器的开关动作。５ 仿真研究及实验结果仿真参数设定为输入直流电压 Ｕ ｄ ＝４００Ｖ ， 电网电压有效值 Ｕ ｎ ＝２２０Ｖ ， 滤波电感 Ｌ＝１０ｍＨ ， 线路等效电阻 Ｒ＝０．８ Ω ，主电路的开关频率 ｆ ｄ ＝１０ｋＨｚ ，指令电流与电网电压的比例系数 ｒａｔｉｏ＝０．０２ 。仿真工 作 状 态 在 ［０．０１００ｓ ０．０３２２ｓ］ 下 ， 电 网 频 率 为４５Ｈｚ ； 在 ［０．０３２２ｓ ０．０５２２ｓ］ 下， 电网频率变为 ５０Ｈｚ ；在 ［０．０５２２ｓ ０．０７４０ｓ］ 下， 电网频率变为 ５５Ｈｚ 。图 ５ａ示出入网电流 ｉ 的跟踪效果；图 ５ｂ 示出电网电压ｕ ｎ 的仿真波形。由图可见， 在电网频率波动时， 无差拍控制方法能快速准确地跟踪 ｕ ｎ ， 且 ｉ 始终保持与 ｕ ｎ 同频同相。此外， 逆变器在加载和卸载时， 均能使 ｉ 很好地跟踪 ｕ ｎ 。根据仿真结果进行了无差拍控制逆变器的并网实验， 主电路为全桥逆变电路， 直流侧采用 １００Ｖ 直流电源， 交流侧采用调压器得到峰值为 ７０Ｖ 的正弦交流电压。 ＤＳＰ 输出的 ＰＷＭ 控制脉冲加到逆变器的控制端， Ｌ＝１０ｍＨ ， ｆ ｄ ＝１０ｋＨｚ ，入网电流的幅值 Ｉ ｎ ＝２Ａ 。图 ６ 示出入网电流 ｉ 和电网电压 ｕ ｎ 的实验波形。结果表明， 无差拍控制具有响应速度快， 功率因数高， 入网电流波形好等特点。６ 结 论通过对逆变器实际模型的分析，得到了一种单相并网逆变器的无差拍控制方法。并用 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 对模型和控制方法进行了仿真和实验验证。 结果表明， 无差拍电流控制方法能快速准确地跟踪电网电压， 输入电网的电流波形畸变很小， 可以满足向电网输入高功率因数、 高质量电能的要求。参考文献［１］ 李俊峰， 时 丽， 马玲娟， 等 ． 国内外可再生能源发展综述 ［Ｊ］． 国际石油经济， ２００６ ，（ ２ ） ３５￣３７．［２］ Ｍｕｈａｍｍａｄ Ｈ Ｒａｓｈｉｄ ， 陈建业等译 ． 电力电子技术手册［Ｍ］． 北京 机械工业出版社， ２００４．［３］ 郭卫农， 段善旭， 康 勇， 等 ． 基于 ＤＳＰ 实现的无差拍控制逆变器 ［Ｊ］． 通信电源技术， ２００１ ，（ ３ ） １￣４．［４］ 苏奎峰， 吕 强， 狄庆锋， 等 ．ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 原理与开发［Ｍ］． 北京 电子工业出版社， ２００５．［５］ 薛定宇 ． 基于 ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎ 的系统仿真技术与应用［Ｍ］． 北京 清华大学出版社， ２００２． ““““ 电力电子技术 期刊社全体同仁恭祝大家新春快乐 身体健康 万事如意 １２