金愛娟，曹文彬，游珊妮，董鈺瑩，王瑞奇，楊汶娟

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

單相光伏系統(tǒng)的逆變器控制策略

金愛娟，曹文彬，游珊妮，董鈺瑩，王瑞奇，楊汶娟

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

針對(duì)單相光伏并網(wǎng)逆變器在比例積分(PI)調(diào)節(jié)器的控制下存在電流環(huán)難以跟蹤電流，且輸出濾波電容較大，使得系統(tǒng)不穩(wěn)定及抗干擾能力差等問題，提出了一種基于比例諧振(PR)與PI調(diào)節(jié)器的單相并網(wǎng)的雙并環(huán)控制策略，并搭建了整個(gè)單相光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的仿真模型。通過Simulink仿真表明了該控制器應(yīng)用在整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)并網(wǎng)電流的無靜差控制，消除了PI控制引起的相位誤差，并提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

光伏并網(wǎng)；逆變器；比例諧振

在傳統(tǒng)的單相光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)中[1-3]，存在著逆變器不能有效抑制漏電流及系統(tǒng)的抗干擾能力差等問題，國內(nèi)外很多學(xué)者也對(duì)逆變器的控制策略也進(jìn)行了研究，通常光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)控制逆變器輸出電壓或控制輸出電流可分為電壓控制模式和電流控制模式。在電壓型控制模式中，由于并網(wǎng)逆變器對(duì)電網(wǎng)呈現(xiàn)出低阻抗特性，其并網(wǎng)電流完全取決于電網(wǎng)電壓，且對(duì)電網(wǎng)電壓的參數(shù)變化比較敏感。如果電網(wǎng)電壓受到擾動(dòng)或出現(xiàn)不平衡時(shí)，則逆變器的電流相應(yīng)地就會(huì)受到擾動(dòng)，從而降低系統(tǒng)性能。電流控制模式中，輸出電流是受控量，其質(zhì)量受到電網(wǎng)電壓的影響較少，這是因?yàn)閷?duì)于電網(wǎng)來說，并網(wǎng)逆變器呈現(xiàn)出高阻抗特性。因此，采用這種模式，可減小電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)對(duì)輸出電流的影響，從而改善了輸出電源的質(zhì)量，具有控制簡單、響應(yīng)速度快、正弦度好等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。所以本文提出了一種基于PR與PI調(diào)節(jié)器的單相并網(wǎng)的雙并環(huán)控制策略來提高系統(tǒng)的抗干擾能力及準(zhǔn)確跟蹤電流，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)

圖1 單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)控制框圖

在中小功率單相并網(wǎng)逆變器中，其輸出濾波器的電容一般較小，因此可考慮采用較為簡單的雙環(huán)控制策略，其系統(tǒng)及控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，并網(wǎng)逆變器的直流電壓外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，通過穩(wěn)定直流側(cè)電壓實(shí)現(xiàn)逆變器輸入、輸出能量的平衡；電流內(nèi)環(huán)的電流幅值參考值Imref由直流電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出給定，通過檢測(cè)獲得電網(wǎng)電壓相位角θ，并由cosθ、Imref的乘積獲得瞬時(shí)輸出電流的參考信號(hào)IL1ref，電流內(nèi)環(huán)一般可采用簡單的PI調(diào)節(jié)器，以實(shí)現(xiàn)電流的快速控制。由于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的存在，需要加入一個(gè)電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)[6]，以抵消電網(wǎng)電壓對(duì)并網(wǎng)電流的影響。從補(bǔ)償原理可知，加入電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償實(shí)際上是以開環(huán)控制方式來補(bǔ)償可測(cè)量的干擾信號(hào)，而不會(huì)影響控制系統(tǒng)的特性。而且前饋控制可減輕反饋控制的負(fù)擔(dān)，使得反饋控制系統(tǒng)的增益可取得較小，這對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有益。為了抑制電網(wǎng)電壓擾動(dòng)，加入電網(wǎng)電壓前饋控制，電流環(huán)的輸出與電網(wǎng)電壓的前饋信號(hào)疊加后經(jīng)過SPWM調(diào)制后輸出驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，以實(shí)現(xiàn)單相逆變器的并網(wǎng)控制。

上述基于PI調(diào)節(jié)器的單相并網(wǎng)逆變器的雙環(huán)控制雖然控制簡單，但存在電流環(huán)難以完全跟蹤電流，輸出濾波電容較大及系統(tǒng)不穩(wěn)定，且其主要靠電壓前饋來抑制電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流的無靜差控制，電網(wǎng)電流環(huán)可采用比例諧振調(diào)節(jié)器(PR)。內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過SPWM調(diào)制后驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，以實(shí)現(xiàn)單相逆變器的并網(wǎng)控制。

2 單相逆變系統(tǒng)控制策略

2.1 基于PI的雙環(huán)控制策略

在靜止坐標(biāo)系中，若要實(shí)現(xiàn)正弦參考信號(hào)的無靜差控制，根據(jù)內(nèi)模定理[7-8]，則要求系統(tǒng)在開環(huán)傳遞函數(shù)中包含正弦信號(hào)的S域模型，該模型可由以下兩種無阻尼諧振的傳遞函數(shù)形式，即

(1)

根據(jù)伯德圖可知，G1(S)可讓系統(tǒng)穩(wěn)定，G2(S)使系統(tǒng)的相角裕度較小甚至為負(fù)，可能引起系統(tǒng)的振蕩。要使調(diào)節(jié)器增加自由度，根據(jù)系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)的位置，在根軌跡上自由配置。調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可變?yōu)?/p>

(2)

采用上式(2)所示的調(diào)節(jié)器后，雖然系統(tǒng)在ω0附近具有無窮大的開環(huán)增益，但在其他頻率處，其增益呈衰減趨勢(shì)。因而，為了補(bǔ)償原有的增益呈衰減趨勢(shì)，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，需要相應(yīng)地增大ω0外頻率處的開環(huán)增益，為此在原有傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上，引入比例項(xiàng)，即引入比例項(xiàng)的調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

(3)

式(3)中，既含有比例項(xiàng)，又含有諧振項(xiàng)。因此Gc(S)形式的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)被稱為比例諧振調(diào)節(jié)器或稱PR調(diào)節(jié)器。雖然PR調(diào)節(jié)器能使系統(tǒng)有較大的開環(huán)增益，但不適合給定信號(hào)頻率變化的場(chǎng)合，而實(shí)際情況下，電網(wǎng)的頻率會(huì)發(fā)生一定偏移，此時(shí)PR調(diào)節(jié)器就無法實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤電網(wǎng)正弦量。所以，本文采用了改進(jìn)的調(diào)節(jié)器即PI和PR相結(jié)合的調(diào)節(jié)器。

2.2 基于PI和PR的雙環(huán)控制策略

為改善PR調(diào)節(jié)器，在PR調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入PI調(diào)節(jié)器，綜合兩種調(diào)節(jié)器的優(yōu)勢(shì)，引入PI調(diào)節(jié)器，得到的并網(wǎng)逆變控制框圖如圖2所示。

圖2 并網(wǎng)逆變器PI、PI+PR控制原理圖

圖3 不同控制器下的伯德圖對(duì)比分析

對(duì)于PR控制開環(huán)系統(tǒng)而言，PI+PR控制器在PR控制器的基礎(chǔ)上引進(jìn)了一個(gè)負(fù)實(shí)軸上的零點(diǎn)和原點(diǎn)處的極點(diǎn)。極點(diǎn)位于零點(diǎn)的右邊，保持初始暫態(tài)性能，并使系統(tǒng)的開環(huán)增益上升。如幅頻特性曲線所示，PI+PR控制器系統(tǒng)的開環(huán)增益，高于PI、準(zhǔn)PR控制器系統(tǒng)的開環(huán)增益，這有利于改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，減小穩(wěn)態(tài)誤差。

由圖3可知在閉環(huán)狀態(tài)下，在基波頻率處，PI控制下的增益為-40 dB，相角為80°；PR控制下的增益為-10 dB，相角變化范圍90°～450°； PI+PR控制下的增益為-0.62 dB，相角變化范圍為-45°～135°；綜合比較，PI與PR綜合控制下的增益接近于0，明顯好于單個(gè)控制器的增益，表明PI與PR綜合控制下的電流環(huán)。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性來說，PI控制器的引入改善了單個(gè)PR控制器的相角裕度，從而不會(huì)引起系統(tǒng)振蕩。

3 系統(tǒng)仿真及性能分析

結(jié)合PI+PR調(diào)節(jié)器，在Matlab/Simulink中搭建整個(gè)單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的仿真模型，分別從系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力和輸出電流的跟蹤能力來進(jìn)行對(duì)比分析。

系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的反饋性能分析如圖4所示，在閉環(huán)狀態(tài)下，PI、PR和PR+PI控制器控制下的系統(tǒng)對(duì)階躍擾動(dòng)的調(diào)整時(shí)間ts最短，分別為0.01 s、1 s和0.15 s。 其中PI+PR控制器控制下的系統(tǒng)對(duì)階躍擾動(dòng)的超調(diào)量是最小的；PI+PR控制器控制下的系統(tǒng)對(duì)階躍擾動(dòng)的振蕩次數(shù)最少。綜上所述，加入PI控制器，相比于PR控制，使得系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間、超調(diào)量、振蕩次數(shù)顯著下降，表明系統(tǒng)的快速性、相對(duì)穩(wěn)定性都得到了改善。

圖4 不同控制器下的系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力分析

圖5 不同控制器下的并網(wǎng)輸出電流分析

在不同控制器下的逆變輸出電流如圖5所示，從3種控制器控制下的逆變器輸出電流仿真結(jié)果對(duì)比看，PI控制器控制下的輸出電流跟蹤參考電流效果較差，幅值和相位均有一定程度的偏差，電流諧波畸變率達(dá)4.8%；PR控制器控制下的輸出電流跟蹤參考電流，幅值與相位較為接近參考電流，電流諧波畸變率達(dá)4.2%； PI+PR控制器控制下的輸出電流跟蹤參考電流，幅值與相位高度吻合，電流諧波畸變率達(dá)1.9%，已遠(yuǎn)低于并網(wǎng)電流諧波畸變率5%的國家規(guī)定。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的PI+PR控制器能夠基本無偏差跟蹤參考電流。

4 結(jié)束語

本文研究了基于PI調(diào)節(jié)器的單相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，針對(duì)其存在電流環(huán)難以跟蹤電流，且輸出濾波電容較大，使得系統(tǒng)不穩(wěn)定以及抗干擾能力差等問題，提出了一種新型基于PR與 PI調(diào)節(jié)器的單相并網(wǎng)的雙并環(huán)控制策略，從PR+PI調(diào)節(jié)器的理論分析、控制閉環(huán)系統(tǒng)分析及系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的反饋性能分析3個(gè)角度綜合得出，PR控制器加入PI控制器，相比于PI和PR控制，使得系統(tǒng)的振蕩次數(shù)顯著下降，穩(wěn)態(tài)誤差減小，表明系統(tǒng)的快速性、相對(duì)穩(wěn)定性以及跟蹤效果都得到改善。所以本文提出的這種新型控制器既實(shí)現(xiàn)了對(duì)并網(wǎng)電流的無靜差控制，又消除了PI控制引起的相位誤差，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[1] 宋中奇.單相無變壓器光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2012.

[2] 王欣,張宇,劉士宏.基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的光伏發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2012(5):16-19.

[3] Wang Zixuan，Zhang Fujun，Wang Organic,et al. photovoltaic cells: Novel organic semiconducting materials and molecular arrangement engineering[J].Chinese Science Bulletin,2012,57(32):4143-4152.

[4] 張久亮,郭前崗,周西峰.光伏并網(wǎng)逆變器準(zhǔn)比例諧振控制仿真研究[J].電測(cè)與儀表,2013(2):68-72.

[5] 楊士保.單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)控制策略的研究[D].上海:華東理工大學(xué),2013.

[6] Bojoi R,Limongi L R,Roiu D,et al. Enhanced power quality control strategy for single-phase inverters in distributed generation systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26(3):798-806.

[7] 胡巨,趙兵,王俊,等.三相光伏并網(wǎng)逆變器準(zhǔn)比例諧振控制器設(shè)計(jì)[J].可再生能源,2014,32(2):152-157.

[8] 彭自強(qiáng).單相光伏多逆變器并聯(lián)控制策略研究[D].長沙:湖南大學(xué),2014.

[9] Liming L,Hui L,Zhichao W,et al.A cascaded photovoltaic system integrating segmented energy storages with self-regulating power allocation control and wide range reactive power compensation[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011，26(12):3545-3559.

[10] 孫培德,葉禮清.比例-諧振控制器在單級(jí)式太陽能并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,38(1):99-102.

[11] 蔣震東.單相光伏并網(wǎng)逆變器控制策略的研究[D].長沙:長沙理工大學(xué),2013.

[12] 樊軼.兩級(jí)式單相光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2014.

[13] Hojabri M,Zaharin A,Toudeshki A,et al. An overview won current control techniques for grid connected renewable energy systems[C].India:Proceedings of 2nd International Conference on Power and Energy Systems,2012.

[14] 劉偉.單相光伏并網(wǎng)逆變數(shù)字控制策略研究與實(shí)現(xiàn)[D].長沙:湖南大學(xué),2007.

[15] 張小娥.LCL型單相光伏并網(wǎng)逆變器控制策略的研究[D].銀川:寧夏大學(xué),2014.

Study of Inverters of Single-phase Photovoltaic System Control Stategey

JIN Aijuan，CAO Wenbin，YOU Shanni，DONG Yuying，WANG Ruiqi，YANG Wenjuan

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

In terms of the single-phase photovoltaic grid inverter under the proportional integral (PI) controller, the current loop is hard to track the current, and the output filter capacitor is bigger, then the system is unstable and has poor anti-interference ability. In order to solve these problems, the paper adopts the double loop control strategy of single-phase grid based on proportional resonant (PR) and PI regulator, and set up the simulation model of single-phase photovoltaic grid inverter control system. Through the Simulink simulation shows the controller is used in the system to achieve the grid connected current without static error control, eliminates the phase error caused by the PI control, and improve the system stability.

photovoltaic grid; inverter; PR

2016- 03- 20

金愛娟(1972-)，女，博士，副教授。研究方向：電力電子非線性及控制。曹文彬(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：電力電子非線性及控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.006

TM 615

A

1007-7820(2017)01-019-04