4. 离网模式控制基础

离网模式下，PCS 不再跟随电网电压和频率，而是自己成为负载的“电压源”。因此控制目标从并网的“电流受控、功率可调”切换为“电压幅值与频率可设定、波形可维持”。工程上把这种控制称为 VF 控制（Voltage-Frequency Control），也叫恒压恒频控制。理解 VF 控制，关键是理解它如何用电压外环和电流内环两级结构，把直流母线能量转换成稳定的三相交流电压。

一、VF 控制的基本原理

在并网模式中，电网是一个刚性电压源，PCS 只需控制输出电流即可控制功率。离网时负载端没有电网支撑，PCS 必须建立电压参考。VF 控制的核心是：给定电压幅值 U_ref 和频率 f_ref，通过闭环调节使逆变桥输出跟踪这一参考，并在负载变化时维持电压和频率稳定。

典型实现是在同步旋转坐标系（dq 轴）下完成。三相电压参考为：

u_d_ref = U_ref
u_q_ref = 0
θ = 2π · f_ref · t   （由积分器生成相位）

其中 d 轴对齐电压矢量方向，q 轴参考为零，表示电压矢量定向。频率 f_ref 决定相位角 θ 的旋转速度，从而决定输出电压频率。这样，电压幅值由 U_ref 控制，频率由 f_ref 控制，两者解耦，便于独立调节。

二、电压外环与电流内环的双环结构

VF 控制通常采用双闭环：外环为电压环，内环为电流环。电压外环的作用是消除输出电压与参考之间的稳态误差，并生成电流内环的参考值；电流内环的作用是提高动态响应速度、限制电流并改善波形质量。

电压外环一般使用 PI 控制器，输入为 u_d_ref - u_d 和 u_q_ref - u_q，输出为电流参考 i_d_ref、i_q_ref。电流内环同样使用 PI 控制器，输入为电流误差，输出为调制电压指令。由于电流内环带宽通常设计为电压外环的 5～10 倍，因此外环可以近似认为内环是单位增益，从而简化设计。

设计时，电流内环的 PI 参数可按典型一阶系统整定。若滤波电感为 L，等效电阻为 R，电流环期望带宽为 ω_ci，则比例增益 Kp_i ≈ ω_ci · L，积分增益 Ki_i ≈ ω_ci · R。电压外环带宽通常取 ω_cv ≈ ω_ci / 5，比例增益 Kp_v ≈ ω_cv · C，积分增益 Ki_v ≈ ω_cv / R_load（C 为滤波电容，R_load 为额定负载等效电阻）。这些公式是工程近似，实际需结合采样延迟、PWM 更新和死区影响微调。

三、离网电压与频率稳定

离网运行时，电压和频率的稳定取决于两个因素：一是参考值本身是否恒定，二是闭环能否抑制负载扰动。对于电压，负载电流增大时，滤波电感和线路阻抗上的压降会增加，导致输出电压下降。电压外环通过积分作用逐步修正，使输出电压回到参考值。对于频率，由于 f_ref 由内部晶振或控制器时钟决定，只要时钟稳定，频率就稳定；但负载突变时，相位可能短暂波动，需要电流内环快速响应来减小相位跳变。

工程上，离网电压稳定度通常要求稳态误差小于 1%～2%，频率稳定度要求小于 0.1～0.5 Hz。对于 380 V/50 Hz 系统，电压波动应控制在 ±4 V 以内，频率波动控制在 ±0.2 Hz 以内。这些指标是设计双环带宽和 PI 参数的依据。

四、负载扰动下的动态响应要求

离网 PCS 最常见的动态工况是负载突加和突卸。例如，空载运行时空载电压为 380 V，突然投入 50% 额定负载，电压会瞬间跌落，然后由电压外环恢复。动态响应要求通常包括：电压跌落幅度不超过额定值的 10%～15%，恢复时间不超过 20～50 ms，超调量不超过 5%～10%。

为满足这些要求，电流内环带宽应足够高，使电流能快速跟踪负载变化；电压外环带宽则决定电压恢复速度。若电压外环带宽过低，恢复时间会变长；若过高，可能与电流内环耦合，引起振荡。因此，双环带宽比一般取 5～10 倍，并在调试时用阶跃负载测试观察电压波形。

下面给出一个离网 VF 双环参数整定的参考示例，适用于 380 V/50 Hz、额定功率 100 kVA 的 PCS，滤波电感 L = 0.6 mH，滤波电容 C = 200 μF，开关频率 f_sw = 10 kHz，采样频率与开关频率相同。

以上参数为示例整定值，实际工程中需根据采样延迟、PWM 更新方式、死区补偿和负载特性进行微调。调试时，可先只投电流内环，用电流阶跃观察响应；再投电压外环，用负载阶跃观察电压恢复。若电压恢复过慢，可适当提高 Kp_v；若出现振荡，则降低 Kp_v 或增大 Ki_v 的积分时间。

总结来说，离网 VF 控制通过电压外环和电流内环的配合，使 PCS 在无电网支撑时仍能输出稳定的电压和频率。电压外环负责稳态精度，电流内环负责动态速度，两者带宽合理分配，才能在负载扰动下同时满足电压跌落、恢复时间和超调量的要求。掌握双环设计方法，是离网模式稳定运行的基础。