逆变器综述

新能源与再生制动能量发电，都需要将已被转化为直流形式的电能先逆变为与电网相同 频率、相反相位正弦交流电流，再回馈电网，即实现负单位功率因数的能量回馈，否则既会 降低能量转换效率，也会对电网造成污染。因此，并网逆变器的性能优劣，直接关系到电能 转化过程的效率。现阶段主要有两种方法获得较高的功率因数及谐波含量较低的逆变电流，一种是在存在 谐波和无功功率的情况下，采用无功补偿和滤波装置；另一种是改进传统并网逆变装置，采 用具有高开关频率的功率器件并对其拓扑结构和控制算法进行改进，尽量减少低次谐波的产 生，实现负单位功率因数的能量回馈。对比上述两种方式，后者改善功率因数和实现谐波抑 制效果更加明显。因此，开发一种逆变电流接近正弦且与电网电压同频反相的高性能并网逆 变器成为节能减排研究的热门课题。并网逆变器的控制策略并网逆变技术是电能变换技术中的一种，其研究始于20世纪80年代。那时A.W.Green 等就提出了基于坐标变换原理的 PWM 电能变换器连续、离散动态数学模型； R.Wu、 S.B.Dewan 等建立了 PWM 电能变换器的高、低频时域模型。在此基础上， Hengchun Mao 等建立了 PWM电能变换器的降阶小信号模型，从而简化了 PWM电能变换器的数学模型及 特性分析。经过几十年的研究和发展，并网逆变技术已日趋成熟。并网逆变器主电路已从早期的半 控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组 合及多电平拓扑电路；在主电路类型上，既有电压型并网逆变器，也有电流型并网逆变器； 从能量流动角度又分为可逆和不可逆并网逆变器。因为三相可逆电压型并网逆变器具有结构 简单，损耗低，控制方便，能量可双向传输等一系列的优点。控制策略是决定并网逆变技术发展的关键因素。并网逆变技术的控制对象是直流母线电 压和回馈电网的逆变电流，其中对逆变电流的控制是并网逆变器控制的关键，这是由于使用 并网逆变器的主要目的是将电能高效率高质量的馈送到电网。目前广泛应用的并网逆变器的 控制策略主要有以下三种，一种是只有外环直流母线电压控制的结构，称为间接电流控制； 另一种是外环直流母线电压控制，内环交流电流反馈控制的结构，称为直接电流控制；第三 种是外环直流母线电压控制，内环瞬时功率控制的结构，称为直接功率控制。间接电流控制策略的显著优点是结构简单、无需电流传感器、易于实现、静态特性良好； 但是稳定性差、动态响应慢、存在直流电流偏移及电流冲击等缺点，制约了这种控制策略的 应用。直接电流控制策略的优点是动态响应速度快、限流容易、控制精度高，其主要缺点是 实现并网逆变器的电压空间矢量控制，需要解决正弦函数、反正切函数查表的问题并需要进 行一系列乘除法运算，要用到复杂的算法和调制模块。在电网电压稳定的情况下，直接控制 并网逆变器的瞬时有功和无功功率，同样可以收到控制瞬时逆变电流的效果，这种控制策略 就是直接功率控制策略。由于直接功率控制并网逆变器采用瞬时功率控制，因此比间接、直 接电流控制容易获得更高的功率因数，更低的THD,并且算法及系统结构简单。分布式电源与电网并网时，大多需经过电力电子变换器，其中逆变器是分布式电源并网 系统的重要组成部分。它的作用是将直流电转化为交流电，使变换得到的交流电可以满足并 网要求。另外，逆变器还应该具有很高的有效性和可靠性，保证并网系统、本地负载和电网 的安全。因此，保证系统稳定、高效运行的关键问题之一就是对微电网中各并网逆变器进行协调 控制。除了逆变器基本的电压控制外，还需考虑各逆变电源互联时的功率分配和控制。目前 的研究通常把分布式发电的并网逆变器控制系统分为功率控制和电压控制两个层次。（1）并网逆变器的电压控制并网逆变器的电压控制目标是提高逆变器输出电压的稳态性能和动态性能。稳态性能就 是指输出电压的稳态精度和带不平衡负载的能力；而动态性能主要指输出电压在负载突变时 的动态响应水平。平衡条件下并网逆变器的电压控制，已经得到了较为深入地研究。基于旋转坐标系模型， 可采用 PI 调节器、滑模控制、无差拍控制、重复控制等实现对电压和电流的控制。其中， 应用最多的是 PI 调节器，它具有较快的动态响应特性和鲁棒性，但是应用到交流系统瞬态 反馈控制时PI控制并不能够实现无静差控制。滑模控制的鲁棒性强，对参数变化和外部扰动不敏感。逆变系统采用滑模控制时输出波 形有较好的暂态响应，不足之处是系统的稳态性能不大好。滑模控制加入前馈控制能提高暂 态性能和稳态精度，但过载情况运行不好。由参数自适应的线性前馈控制器和非线性滑模控 制器组成逆变控制系统，将会在这两方面得到很好的改善。无差拍控制的基本思想是将输出 正弦参考波等间隔地划分为若干个取样周期，根据每一取样周期的起始值，计算出关于取样 周期中心对称的方波脉冲作用，负载输出在取样周期末尾适当控制方波脉冲的极性与宽度， 就能使负载上的输出在取样周期的末与输出参考波形相重合。在很低的开关频率下，无差拍 控制能够保证输出波形的质量。采样和计算时间的延迟,对系统参数的变化反应灵敏，鲁棒 性差是无差拍控制的不足地方，通过状态观测器对系统状态提前进行预测，能修正采样和计 算延时对系统的影响。对系统参数进行在线辨识，可以提高系统的鲁棒性。重复控制可以克服非线性负载引起的输出波形周期性的畸变，通常结合其他控制方式来 使用。重复控制的基本思想是假定上一周期的基波将会在下一周期的同一时间重复出现，可 以根据给定信号和反馈信号的误差来确定所需的校正信号，并在同一基波时间将此信号叠加 到原控制信号上，消除重复出现的畸变。重复控制能使系统获得了很好的静态性能，但却不 能够获得好的动态性能。对于不平衡系统，还需进行正序和负序分解，一般需在两个旋转坐标系下进行控制。为 了简化控制系统，研究者提出了在静止坐标系下实现稳态无差的控制方案，如比例谐振控制 器，它的提出最初是根据三相系统中同步dq轴系调节器在旋转参考系中控制直流信号，能 实现零稳态误差的原理推导而来。它可以不经过复杂的交直流变换，而是直接控制交流量， 来达到消除稳态误差的目的。复系数传递函数是近年来出现的一种新型建模与综合方法。文献将其应用于并网逆变器 控制，设计的电压外环由 PI 调节器与实系数振荡器级联组成，可以实现不平衡负载条件下 的无差调节，具有控制性能好、控制方法简单等优点