通用PWM变流器控制策略

周迎春，胡志军湖南理工职业技术学院

通用PWM变流器控制策略

周迎春，胡志军
湖南理工职业技术学院

随着社会的不断进步和科技的不断发展，在国民生产的各个领域中对供电系统性能的要求也越来越高。PWM变流器作为电能变换的关键设备，其控制性能决定了供电系统能否正常的运行。现有的PWM变流器控制方法多存在缺陷，本文对通用的PWM变流器的并网模式、孤岛模式等数字控制策略进行分析，研究其控制策略的关键性问题，进提高PWM变流器的性能。

PWM变流器；孤岛运行；并网控制；数字控制

项目资助：湖南省教育厅科学研究一般项目（编号：17C0742）。

1 、前言

PWM变流器是在电力电子技术不断发展的基础上发展起来的，它是风能、燃料电池、太阳能等可再生资源进行分布式发电的单元，在储能装置等能源发电系统、微网系统中具有广泛的应用。现有的PWM变流器的数字控制策略的研究主要集中在电流波形控制、负载功率控制等控制策略上；但是传统的控制方法在系统处于孤岛运行或者并网运行时的一些关键性问题上还有很多需要改进的地方。通过分析不同的控制策略对变流器控制时系统运行性能的分析，提出能够提高PWM变流器通用性的控制策略，是PWM变流器控制策略发展的方向。通过在PWM变流器的控制环节引入神经网络控制、模型预测控制等智能控制方法，可以有效的提高变流器的控制性能。

2 、PWM变流器

2.1 PWM变流器概述

随着社会经济和各行业对供电系统的技术要求不断提高，PWM变流器被运用得越来越广泛，它是保障电力拖动系统按照预期方式运行的整体性控制电路。传统的变流器是利用自然换流器、可关断晶闸管等元件进行被动调节的；PWM变流器则通过脉宽调节方式，当系统工作于并网模式、孤岛模式等模型时，利用相电压控制PWM、线电压控制PWM等方式进行控制运行，忽略直流环节、整合调压调频、消除低次谐波，进而达到优化供电系统动态性能的目的。

2.2 孤岛模式下的控制策略

2.2.1 功率的控制

在孤岛运行的模式下，PWM变流器对电力运行模块进行无功、有功功率的控制，利用控制器对最大功率跟踪的方式，调整系统无功功率为零，输出同样的电流、电压以使功率因数为1。其中，通过电压对功率进行控制主要是考虑到PCC电压与DG输出电压之间的电阻大小，将变流器的参数按照单电压环控制的电压需求来设置，以达到系统的稳定，得到更好的瞬态响应。

2.2.2 电压的控制

PWM变流器在孤岛模式下的控制，多采用双环控制、POSI⁃CAST控制等技术方法，而双环控制方法是在通用PWM变流器中运用得最为广泛的一种方式。双环控制充分利用电压、电流环补偿器与输出电压之间的联系对变流器进行控制。当电网因故障而断电时，需要通过分布式发电系统为负载供电，进行能量的补充。转换控制的方式是将电网从并网模式切换到孤岛模式后，让分布式电源与负载形成一个循环封闭的孤岛，进而保持电能的稳定输送。

2.3 并网模式下的控制策略

在并网模式运行下，通用PWM变流器对其分布式的电源采用功率控制、电流调节等方式，使其内部的负载功率与并网功率之间达到合理的平衡点，将电压幅值控制在平衡范围以内，让无功分量与有功功率之间的差距扩大，进而达到电网稳定运行的目标。基于智能甩负载功能的负载功率控制，将电网与非关键性负载断开以保持负载需求一直控制在电网的供给范围内。

2.4 Z-源逆变器的特性与应用

Z-源逆变器是一种在电流源/输入电压源与逆变桥之间插入Z-源阻抗源网络，具有开路与直通零状态的正常工作状态表现。Z-源逆变器具有单级拓扑就能实现电压的升降，成本低、控制简单、效率高等优势，多运用于直流侧输入的电流、电压变化大的环境中。Z-源逆变器还具备了通用PWM变流器的运用范围，还在新能源发电供电网络系统中大放异彩，如在风能发电、光伏发电等发电系统的运用。除此之外，其还在交流调速系统中有着举足轻重的作用，具备电网电压跌落的承受功能，还拥有改善直流侧电流波形的能力。

3 、PWM变流器的分类控制

3.1 电压源逆变器的控制

双极性PWM（脉宽调制）逆变器中，在忽略控制延时、输出功率小于开关频率的情境下可将其看作一个比例环节，逆变器输出与调制波之间为一个正比例函数。负载电流作为扰动输入，其与电容电压、滤波电感电流之间的联系越发的紧密，会形成一个反比例函数。这样在实际的变流器控制过程中，直流母线电压与前馈环节中的逆变器之间有着固定的增益；而在三角载波幅值在直流母线电压恒定的情况下，能够将逆变器的增益整合为单位集体增益。但是由于其负载可能为感性、阻性、非线性负载等不确定性，需要将逆变器设置在满载的工作状态中，建立起空载与满载之间的转换模型，在外部扰动与逆变器输出之间建立起新的动态联系，以消除低谐波所带来的影响，满足电压输出的要求。

3.2 双环控制策略

双环控制是逆变器通过电流内环与电压外环实现逆变器控制的一种方式。在PWM变流器中，电流内环的带宽总是高于电压外环的带宽，并且能够同时反映电容电压与电感电流，提高数字控制延迟的稳定性能。而在电压外环的闭环传递函数频率控制上，需要利用电流内环的反馈信息，将扰动与输出之间的频率调至低频段，进而提高负载电流的抗扰动能力。

4 、结语

在电力电子技术、微处理器技术等科学技术发展的推动下，PWM变流器在国民生产的多个领域得到广泛应用，其控制策略的研究决定了PWM变流器的发展前景。本文通过对现有的通用PWM的性能与运用范围进行分析，发现其通常采用双环控制、POSICAST控制方法对输出电压、负载电流等进行控制。PWM变流器的运用，可以提高电网的运行效率，进而促进微智能功能变流器的运用，推动可再生能源的利用率。

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