1引言
传统化石燃料的短缺，以及使用时带来的全球性环境污染与气候改变，已经危及到大多数生物物种乃至人类自身的生存，对可再生新能源、清洁能源的开发利用已经得到世界各国的重视[1]。将新能源和可再生能源经发电系统发出电能再输送到电网上，需要经过接口装置并网逆变器。因此并网逆变器的性能直接影响了能源的利用率和电网电能的清洁度。并网逆变器的性能关键在于控制技术的优劣。采用正弦波电流波形控制技术的电压型并网逆变器由于使网侧电流正弦化，可以运行于单位功率因数，并且电流波形畸变小、谐波含量低，具有优良的动静态控制性能，实现了能源的清洁变换，在单相电压型并网逆变系统中使用广泛。
本文介绍了一种基于限频式滞环电流控制的双闭环单相并网逆变系统，以解决传统滞环控制频率不固定的问题。本文使用Microchip公司出产的高性价比微控制器dsPIC30F2010作为单相电压型并网逆变器的控制单元，以获得优良的控制性能，相对于目前应用广泛的微处理器控制，降低了系统的成本。
2单相并网逆变系统结构与原理
图1 逆变器并网模型
单相电压型并网逆变系统主电路采用PWM调制方式控制能量流动，因此又叫做PWM逆变器，模型如图1所示。PWM逆变器能工作于4个象限，能量能双向流动。以交流电网电动势矢量的终点为圆心，以交流侧电感电压矢量为半径作圆，得到PWM逆变器并网运行的矢量关系图，如图2所示。当控制交流侧电流矢量使其完全与电网电动势反相时如图2b)，PWM逆变器完全工作在有源逆变状态，成为并网逆变器[2]。为交流侧电压矢量，为交流侧电流矢量。
a) 一般运行情况 b) 完全工作于逆变状态
图2 PWM逆变器运行矢量图
3系统控制策略
3.1双闭环控制
并网逆变器的控制目标是控制逆变电路输出的交流电流为稳定的高质量与电网电压同频反相的正弦波[3]。本文的单相电压型并网逆变系统采用典型的电压电流双闭环控制策略[4]。其控制框图如图3所示。
图3 双闭环控制回路结构图
双闭环控制具有较好的动态特性和较强的抗扰动能力的优点。电压外环将采集的直流侧电压与基准电压Ur比较，通过控制使直流侧电压保持在Ur左右；其差值经PI调节放大后，与电网同步信号相乘得到电流基准信号，电流基准信号再与网侧采样的电流作差，通过滞环比较生成PWM信号，控制逆变桥式电路工作，使逆变器输出与电网电压反相的正弦波电流，实现逆变运行。
3.2限频式滞环电流控制方式
为实现高精度的电流控制，采用电流跟踪型的单极性滞环比较电流控制方式。传统滞环电流控制最大的缺点是开关频率不固定，造成电路滤波参数设计困难、功率模块应力及开关损耗增大等问题。文献[5]通过对滞环电流控制算法的原理和开关频率波动的原因进行分析，提出了基于积分法的定频算法，在保持滞环电流控制算法优点的同时，较好实现了滞环开关频率的稳定。文献[6]提出一种准固定频率的滞环电流控制方法，将滞环比较输出频率与给定的固定频率比较，通过实时调整滞环的宽度来改变控制周期，以达到开关频率基本固定的控制结果。
但是定频式滞环电流控制需要进行复杂的矩阵运算，对运算速度有限的单片机数字控制系统不利。准固定频率的滞环电流控制需要外加模拟测频电路，增加了电路的成本。
本文采用了一种限频式的滞环比较电流控制方式。限频式滞环控制方法，就是不采用明确的滞环宽度，而是通过设置采样频率fc，限制开关频率fs的最大值不超过fc的1/2。其控制原理如图4所示。
图4 限频式滞环控制方法原理图
采用单极性同频调制方式，图4中给出了开关管V1和V4的驱动波形，V2的驱动波形与V1相反，V3的驱动波形与V4相反。当V1为高电平时，交流侧电流波形处于正弦波正半周，当V1为低电平时，交流侧电流波形处于正弦波负半周。
以采样周期Tc作为驱动信号的最小时基，系统每一次采样将电流采样值if与基准值ir比较。若if小于ir，则V4导通，使电流增大，若V4在前一时刻已经导通，则此时持续导通，如图中t1时刻所示；若if大于ir，则V4关断，使电流续流减小，若V4在前一时刻已经关断，则此时持续导通，如图中t2时刻所示。而V4驱动波形每翻转两次为一个开关过程，由此限制了最开关频率不会超过采样频率的1/2。
4系统实现
4.1硬件设计
所设计的单相并网逆变器系统如图5所示。主电路的发电源采用直流电源串联电阻来模拟，H-桥电路功率开关使用IGBT。控制回路以微控制器dsPIC30F2010为核心，使用其内置AD转换器来采样直流侧电压和交流侧电流；使用输入捕捉功能来检测电网电压同步信号；使用内置PWM模块生成驱动信号；引出I/O口搭建简单的键盘控制电路和LED指示电路。通过编程实现电压电流双闭环控制及滞环电流控制算法。
图5 系统框图
4.2软件设计
系统软件包括主程序及PWM中断和输入捕捉中断子程序，如图6所示。其中输入捕捉中断优先级高于PWM中断优先级。主程序主要完成系统的初始化、键盘响应程序和显示程序、电压外环的PI调节及中断等待。输入捕捉中断子程序用于同步网侧电流与电压，使PF≈1。PWM中断子程序完成信号采样转换、双闭环控制及滞环电流控制，实现系统的逆变功能。
（a）主程序流程图 （b）输入捕捉中断子程序流程图 （c）输入捕捉中断子程序流程图
图6 系统程序框图
5实验结果
在搭建的实物平台上进行实验，对设计的单相并网逆变系统稳态和动态响应性能进行了实验研究。实验中直流侧电压从55V变化到70V，实验波形如图7所示，图7显示直流侧电压出现超调后逐渐稳定，交流侧电流幅值增大；图8反映了系统在稳态到动态变化过程中，交流侧电流相位始终严格跟随电网电压，功率因数PF近似为-1，系统处于逆变工作状态。
图7 直流侧电压与交流侧电流变化 图8 交流侧电流相位跟随电网电压
6结束语
本文针对单相电压型并网逆变器的拓扑结构和原理、系统双闭环控制方案限频式及限频式滞环电流控制策略进行了分析研究。并以微控制器dsPIC30F2010为核心搭建了单相电压型并网逆变系统实验平台，进行了实验验证。结果表明所设计的单相电压型并网逆变系统具有良好的动静态性能。
作者简介
俞雁飞（1987-）男硕士研究生，主要研究方向为电力电子功率变换理论与应用。
孙 力（1960-）男教授/博士生导师，主要研究方向为一体化电机系统、电力电子功率变换与电磁兼容。
参考文献
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