三相并网逆变器dq变换

技术分享|三相并网逆变器PQ控制算法控制解析

在储能系统并网应用中，功率调节性能对参与电网管理至关重要。PQ控制算法因其高效性成为主流选择，其核心在于依据电网指令精确调节有功和无功功率输出。该算法首先计算d轴电流和q轴电流的参考值，再通过PI控制实现对功率的精准控制。

实验系统采用研旭的功率模块YXPHM-TP210b、SP2000控制器及YXPVS5K光伏电池阵列模拟器，构建了完整的储能逆变PQ控制系统。Simulink软件用于算法开发，YX-View2000上位机软件实时监控系统运行。

算法模型基于Id和Iq作为电网电流的d轴分量和q轴分量，Ugd和Ugq为电网电压的对应分量。通过公式计算有功和无功功率，当电网电压定向至d轴时，可简化计算过程。依据公式求得dq轴电流参考值，构建Simulink计算模型实现算法逻辑。

将PQ控制模块引入DC-AC模型，替换原直流电压PI控制模块，形成包含PQ有功无功功率控制的逆变系统。实验中，采用直流电源作为储能单元，设定输出电压为600V，电流过流限制15A。通过SP2000控制器运行Simulink模型，上位机View2000监控系统状态，实时显示电压电流波形。

实验结果表明，通过上位机界面设置功率输出，逆变器输出功率可从2000W调整至5000W。功率稳定在5000W时，直流电源输出电流与功率保持同步，验证了PQ控制算法的有效性和精准性。

PLECS应用范例（77）：三相T型逆变器（Three-Phase T-Type Inverter）

本演示介绍了一种三相T型逆变器，用于部署Wolfspeed SiC MOSFET的并网应用。T型逆变器类似于三电平中性点箝位（NPC）逆变器，因为它在0V时增加了额外的输出电压电平，从而比标准的两电平逆变器提供了更好的谐波性能。T型逆变器的优点是减少了部分计数和减少了外部开关器件的传导损耗，但缺点是阻断电压降低。演示模型显示了一个额定值为22 kVA的T型逆变器示例，该逆变器将800 V直流母线转换为三相60 Hz、480 V（均方根）配电，用于工业应用。

T型逆变器的热性能受到设备选择、控制器参数和调制方法的影响。在演示模型中，所有12个器件均配置为演示不同Wolfspeed SiC MOSFET的热损耗性能。每个半导体器件被建模为具有定制掩模配置的子系统，每个都有自己的热模型。设备断言（Device Assertions）会检查设备在安全操作区域内的运行情况，并生成警告。

控制器实现的高级示意图如图4所示。图5所示的去耦合同步参考框架电流控制器用于为调制器生成dq电压参考，调制器则将变频器的输出电流调节到所需的设定点。控制器包括直接电流和正交电流的PI调节器，电压参考的相位角由一个简单的同步参考框架锁相环（PLL）测量得到。使用PLL的角度输出，电压参考值被转换为三相电压参考值，并送入一个调制器。调制器的实现可以采用不同的调制方法，包括经典的正弦脉宽调制（SPWM）、空间矢量PWM（SVPWM）、三次谐波注入PWM（THIPWM）、三次谐波零序PWM（THZSPWM）和不连续PWM（DPWM）。

使用提供的模型运行仿真，可以观察到每个相支路的PWM信号、输出交流电流、设备S11和S12的信号以及系统的计算损耗。参数扫描是确定设计决策如何在一系列操作条件下影响变换器性能的有效方法。通过操纵调制方案、开关频率、停滞时间、控制器设定点和控制器增益，可以试验控制器设置。此外，还可以分析设备类型、并联设备的数量以及外部冷却或更大散热器的影响。所有这些设置都会影响损耗行为和系统效率。如果设备在安全操作区域外运行，模拟窗口的右下角将出现一个警告图标，以确定违反了哪些操作标准。

模型重点介绍了用于工业配电网应用的三相T型逆变器。通过简单的设备和控制器设计，突出了PLECS的热建模能力。此模型可用作研究控制器设计对其他拓扑效率影响的示例。

三相锁相环PLL锁相原理及仿真验证

锁相环在光伏逆变器并网中有重要应用，负责测量电网信号相位，实现逆变器单位功率因数并网。

原理分析中，三相锁相环首先通过abc三相电压的dq0变换，将交流量转换至同步旋转坐标系下的分量，便于进行直流量控制。通过PI调节使得a相q轴分量为0，借助积分环节计算出d轴旋转角度。由于a相与d轴最终重合，此角度即为a相角度，图1展示了这一原理。

结合实际情况分析，若a相电压滞后d轴30°，a相电压q轴分量为负值。通过原理图，可得知经PI调节后输出正值，与电网角速度相减，得到小于电网角速度的w。积分后得到wt，反馈到派克变换中，使得dq坐标系旋转速度减慢。经过调节，最终d轴与电网电压同步旋转，此时q轴分量为0，电网电压与d轴保持同步，此时得到a相角度，锁相成功。

仿真验证中，在三相并网逆变器中验证三相锁相环，输出的正弦曲线与电网相位一致，验证锁相成功。

SVPWM并网逆变器

并网逆变器的原理与控制策略

并网逆变器是实现电能转换和输出的关键设备，其核心在于SVPWM（空间矢量脉宽调制）调制技术的运用。SVPWM技术通过精确控制逆变器的开关状态，实现对输出电压幅值和相位的控制，进而调节流过电路的电流和向电网注入的功率。

并网逆变器结构由电网侧电压决定，通过SVPWM调制控制输出电压幅值和相位，从而调节电流，控制注入功率。以a相为例，RL支路电压与电流方程描述了这种关系。忽略PWM调制和开关状态，假设逆变器输出标准三相正弦电压，方程中的电网电压幅值和相位由电网状态决定，输出电压可调，因此能控制电流。

为建立并网逆变器的数学模型，我们采用坐标变换原理将方程从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系，以简化计算。通过定义变换矩阵和相对位置，我们可以使用dq坐标系表示电压和电流方程，实现独立控制d、q轴电流分量。利用Laplace变换，我们能够画出系统的结构框图，分析输入输出变量之间的关系。

在电网电压定向控制中，我们要求dq坐标系的d轴与电网电压合成矢量方向重合。通过电网电压定向，我们能够独立控制逆变器向电网注入的有功和无功功率。实现这一目标，我们利用锁相环（PLL）计算合成电压矢量的相位，进而调整dq坐标系的旋转角度。

为了验证上述理论，我们可以使用仿真程序进行模拟。通过链接获取的仿真程序，我们能够直观地观察并网逆变器的工作过程，验证控制策略的有效性。

双向PCS储能变流器（一）基于I型NPC三电平逆变器拓扑的单级式PCS MATLAB/Simulink仿真实现

在电网系统中，电力负荷周期性变化，峰谷差大，为满足高峰负荷需求，电网公司需投资大量输配电设备，导致设备利用率低，整体负荷率下降。分布式发电和智能电网的大规模应用推动了储能技术的发展，储能系统可平抑可再生能源发电并网功率波动，缓解高峰负荷需求，起到“削峰填谷”作用，维持微电网功率平衡，改善电能质量，提高电网设备利用率，减少电网建设投资，降低运营成本。能量转换系统（PCS），即储能变流器，作为储能载体与电网的接口装置，起着能量双向交换的重要作用。

PCS电路拓扑分为单级式和双级式两种。单级式PCS仅含有一个双向DC/AC变流器，电路拓扑结构和控制简单，效率较高，但储能单元容量选择不够灵活，电池需要串并联成高压大电流电池组后，才能接入直流母线。

双级式PCS拓扑相对于单级式拓扑多了一个前级的双向DC/DC变流器。双级式电路拓扑结构直流侧接入电池电压范围较宽，电池组配置更加灵活，但由于多了一个双向DC/DC环节，结构和控制系统较复杂，系统效率降低。

不管是单级式PCS还是双级式PCS，都需要双向DC/AC变流器。双向DC/AC变流器可以采用两电平或三电平变流器拓扑结构。相比于两电平变流器，三电平变流器具有以下优点：

（1）桥臂上单个功率开关管承受的电压仅为直流母线电压的一半，降低了器件耐压等级的要求，从技术和经济方面都是可实现的，同时避免了器件串联时的动态均压问题，保证了系统的稳定性和可靠性；

（2）在相同调制频率下，每个开关管的开关频率是两电平的一半，交流侧电流谐波含量低，直流电压纹波小，器件损耗和应力小，电磁干扰小，减小了旋转用电设备的振荡，提高了系统的性能。

下文展示了一个50kW双向单级式PCS的MATLAB/Simulink仿真案例，主电路原理如下图，双向DC/AC变流器采用I型二极管中点钳位(Neutral Point Clamped, NPC)三电平逆变器，实现DC/AC逆变并网和AC/DC整流能量双向流动的功能。

三相电网电压3AC380V，频率50Hz，直流电压DC800V，储能变流器开关频率10kHz。AC/DC变换时负载功率50kW，DC/AC变换时并网功率P=50kW，Q=25kVar。

电压外环采用PI控制器，PQ控制时计算dq电流参考值。电流内环采用PI控制器，dq电流解耦，电网电压前馈。采用三电平SVPWM空间矢量调制。含中点电位平衡控制。含锁相环（基于单同步旋转坐标系的锁相环SRF-PLL）。控制算法框图如下图。

0-0.5s储能变流器工作在整流AC/DC模式，控制整流输出电压为DC800V，直流负载50kW，单位功率因数运行。0.5-1s储能变流器工作在逆变并网DC/AC模式，采用有功功率无功功率PQ控制，P为50kW，Q为25kVar。仿真结果如下。

基于I型二极管中点钳位(Neutral Point Clamped, NPC)三电平逆变器的双向单级式PCS的MATLAB/Simulink仿真案例，实现了DC/AC逆变并网和AC/DC整流能量双向流动的功能，具备中点电位平衡功能，上电容电压与下电容电压稳态偏差在±5V以内，同时具有较低的电流畸变率，电流THD<1%。

逆变器直流分量故障怎么处理？

逆变器常见故障及处理方法

1、绝缘阻抗低

使用排除法。把逆变器输入侧的组串全部拔下，然后逐一接上，利用逆变器开机检测绝缘阻抗的功能，检测问题组串，找到问题组串后重点检查直流接头是否有水浸短接支架或者烧熔短接支架，另外还可以检查组件本身是否在边缘地方有黑斑烧毁导致组件通过边框漏电到地网。

2、母线电压低

如果出现在早/晚时段，则为正常问题，因为逆变器在尝试极限发电条件。如果出现在正常白天，检测方法依然为排除法，检测方法与1项相同。

3、漏电流故障

这类问题根本原因就是安装质量问题，选择错误的安装地点与低质量的设备引起。故障点有很多：低质量的直流接头，低质量的组件，组件安装高度不合格，并网设备质量低或进水漏电，一但出现类似问题，可以通过在洒粉找出**点并做好绝缘工作解决问题，如果是材料本省问题则只能更换材料。

4、直流过压保护

随着组件追求高效率工艺改进，功率等级不断更新上升，同时组件开路电压与工作电压也在上涨，设计阶段必须考虑温度系数问题，避免低温情况出现过压导致设备硬损坏。

5、逆变器开机无响应

请确保直流输入线路没有接反，一般直流接头有防呆效果，但是压线端子没有防呆效果，仔细阅读逆变器说明书确保正负极后再压接是很重要的。逆变器内置反接短路保护，在恢复正常接线后正常启动。

基于DDSRF正负序分离方法的不平衡电网PQ控制策略_平衡电流控制

并网逆变器在面对不平衡电网时，需要实现对正序、负序和零序分量的分离，通过锁相环对正序电压进行定向，进而实现正序电网电压的控制。本文采用的DDSRF方法进行锁相，通过分离正负序分量，利用锁相环对正序电压进行锁相，然后进行dq变换，实现电流控制。整体控制策略以基本的并网逆变器PQ控制为起点，额外加入不平衡电网的正负序分离步骤和负序电流控制。在不平衡电网中，通过控制正序电流实现单位功率因数入网，而负序电流则控制为零，以输出平衡电流。

仿真模型搭建了硬件电路、整体仿真电路、不平衡电压搭建方法和控制部分。在不平衡电压下，采用解耦双同步旋转坐标系锁相环（DDSRF_PLL）进行锁相。通过锁相的关键在于利用正序电压进行定向。仿真结果表明，电流实现了平衡控制，在平衡电网和不平衡电网两种情况下，逆变器均能实现单位功率因数并网。

采用基于DDSRF正负序分离方法的不平衡电网PQ控制策略，能够实现分离后的正序功率按功率指令输出，达到单位功率因数并网的目的。此策略在处理不平衡电网问题时表现出了较好的性能，实现了电流的平衡控制。

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