光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計

張雪煜，常大泳，郭雪麗，尚光偉，顧瑛

（1.國網(wǎng)南陽供電公司，河南南陽473005；2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410083）

光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計

張雪煜1,2，常大泳1，郭雪麗1，尚光偉1，顧瑛1

（1.國網(wǎng)南陽供電公司，河南南陽473005；2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410083）

以單相光伏并網(wǎng)逆變器為研究對象，設(shè)計了一種基于準(zhǔn)比例諧振控制的并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)控制器和基于自抗擾控制的直流電壓外環(huán)控制器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)?；贛atlab/Simulink仿真平臺和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的實驗裝置，對系統(tǒng)進行了仿真和實驗研究，實驗結(jié)果驗證了該控制系統(tǒng)的合理性和正確性。

光伏逆變器；并網(wǎng)控制；準(zhǔn)比例諧振控制；自抗擾控制

在追求低碳生活的今天，太陽能作為一種清潔的分布式可再生能源被廣泛利用，光伏并網(wǎng)技術(shù)的研究已經(jīng)成為電力電子行業(yè)的研究熱點。在并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)控制技術(shù)是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，系統(tǒng)的并網(wǎng)控制效果直接關(guān)系到并網(wǎng)電能的質(zhì)量和整個光伏系統(tǒng)的運行效率；而能否成功進行并網(wǎng)，在很大程度上取決于控制系統(tǒng)的設(shè)計，這就對系統(tǒng)使用的并網(wǎng)控制策略的合理性提出了較高的要求。

本文研究的并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，并網(wǎng)逆變器為單相全橋逆變電路，并網(wǎng)濾波器為L濾波器。該并網(wǎng)逆變器的輸入為電壓源輸入，控制模式為電流控制，所以，并網(wǎng)控制系統(tǒng)兩個關(guān)鍵控制目標(biāo)為直流電壓控制和逆變器輸出電流控制。目前，直流電壓控制的主要控制方法為經(jīng)典PID控制，逆變器輸出電流控制器也是PID控制器。PID控制器廣泛應(yīng)用于控制工程實踐中，但通過一系列工程實踐發(fā)現(xiàn)，該控制器的結(jié)構(gòu)存在著固有的缺陷：PID控制器的輸入誤差的提取存在不合理性，反饋作用的效果較差，控制對象具有局限性，積分環(huán)節(jié)容易引起系統(tǒng)振蕩和控制量飽和等問題。針對上述缺點，本文提出了一種改進型的光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)中，由于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)受外界光照和溫度等外部擾動較大，其拓撲電路中的濾波器、穩(wěn)壓電感等電子元件的存在使得系統(tǒng)本身也具有不確定性，所以采用自抗擾控制器作為并網(wǎng)控制系統(tǒng)的外環(huán)來控制逆變器直流側(cè)電壓；由于并網(wǎng)電流為交流參考信號，常規(guī)PI控制難以消除其穩(wěn)態(tài)誤差，故采用比例-諧振控制器(proportion-resonant controller，PR Controller)作為該控制系統(tǒng)的并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)控制器，該控制器能夠跟蹤正弦參考電流，實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差。

圖1 并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)

1 電壓外環(huán)控制器的設(shè)計

本文采用的電壓控制器為自抗擾控制器，控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知，電壓環(huán)控制對象為一階環(huán)節(jié)，則該自抗擾控制器為一階控制器，實現(xiàn)簡單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

自抗擾控制器由跟蹤微分器(TD)、狀態(tài)觀測器(ESO)和非線性反饋控制率(NLSEF)3個部分構(gòu)成。跟蹤微分器主要作用是跟蹤輸入信號并安排過渡過程，一方面要實現(xiàn)快速跟蹤小孤傲，另一方面要使跟蹤信號一次達到穩(wěn)態(tài)值而沒有超調(diào)，避免對控制對象的沖擊。結(jié)合光伏并網(wǎng)逆變器的特點，本文選取的跟蹤微分器如式(1)：

擴張狀態(tài)觀測器是自抗擾控制的關(guān)鍵技術(shù)。該控制器為一階系統(tǒng)，則擴張狀態(tài)觀測器為二階觀測器，兩個輸出狀態(tài)變量分別是控制目標(biāo)和系統(tǒng)擾動和(內(nèi)部不確定性和外部擾動總和)。為系統(tǒng)的控制量，同時也是內(nèi)環(huán)電流的參考輸入幅值都是系統(tǒng)可以測量的變量，作為ESO的輸入。確定ESO的形式如式(2)：

2 電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計

傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)控制采用PI控制器，其算法簡單易實現(xiàn)，但不能做到無靜差跟蹤[1]。幅值的穩(wěn)態(tài)誤差導(dǎo)致了系統(tǒng)效率的下降，相位的誤差使得并網(wǎng)逆變器的功率因數(shù)減小。另外，PI控制抵抗電網(wǎng)電壓擾動的能力有限，因此對前饋補償有較高的依賴性?？紤]到PI控制存在的缺點，本文的電流內(nèi)環(huán)控制考慮選用準(zhǔn)比例-諧振控制技術(shù)。比例-諧振控制器能夠?qū)崿F(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差，且對正弦參考電流跟蹤性強。準(zhǔn)比例諧振控制器是基于比例-諧振控制器的一種改進控制器，可以克服PR控制器對模擬、數(shù)字系統(tǒng)的精度要求高、難以實現(xiàn)的缺點，增大PR控制器在非基波頻率處的增益，當(dāng)電網(wǎng)頻率產(chǎn)生偏移時，增加系統(tǒng)抑制擾動的能力。

該控制器既可以保持PR控制器的高增益，還可以減小電網(wǎng)頻率偏移對逆變器輸出電流的影響[2]。在準(zhǔn)PR控制器的控制下，并網(wǎng)電流控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 基于準(zhǔn)PR控制的電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖3可知，該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

3 控制系統(tǒng)

在整個光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器連接著光伏電池和電網(wǎng)，是系統(tǒng)的主要設(shè)備，其控制效果會對直流側(cè)母線電壓的穩(wěn)定以及并網(wǎng)電流的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。要實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)控制，就要綜合考慮光伏電池特性與并網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)要求，針對并網(wǎng)逆變器選擇適合的控制方法。

忽略系統(tǒng)中功率變換器帶來的損耗后，如果逆變器的輸出功率和光伏電池的輸出功率不能保持一致的話，二者之間的功率差值一定會表現(xiàn)在中間直流環(huán)節(jié)的母線電壓上。當(dāng)光伏電池的輸出功率大于逆變器的輸出功率時，值將增加，反之值減少[4]?？梢哉f，值的變化能夠反映系統(tǒng)的輸入與輸出功率是否處于平衡狀態(tài)，因此要將值控制在限定范圍之內(nèi)。另外，可以通過改變逆變器的輸出電流幅值，及時調(diào)整其輸出功率與光伏電池的輸出功率保持一致，從而既保證了直流母線電壓的穩(wěn)定，又使得光伏電池具有最大功率輸出[4]。

因此，本文中的單相光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制部分采用雙閉環(huán)控制，并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)逆變控制，直流電壓外環(huán)完成電壓的穩(wěn)定工作。單相光伏發(fā)電系統(tǒng)雙閉環(huán)并網(wǎng)控制框圖如圖4所示。

圖4 單相光伏發(fā)電系統(tǒng)雙閉環(huán)并網(wǎng)控制框圖

本文所設(shè)計的單相單級光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。并網(wǎng)控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)逆變控制，直流電壓外環(huán)完成電壓的穩(wěn)定工作。電壓外環(huán)控制器采用文中敘述的自抗擾控制器，該控制器穩(wěn)定直流側(cè)電壓，實現(xiàn)逆變器輸入、輸出能量的平衡。電流內(nèi)環(huán)采用文中敘述的準(zhǔn)比例諧振控制器，控制并網(wǎng)電流的質(zhì)量和并網(wǎng)功率大小。該控制器的參考輸入由電壓外環(huán)輸出的電流參考幅值與鎖相環(huán)(PLL)檢測得到的電網(wǎng)電壓相位sinθ相乘得到，這樣能保證并網(wǎng)電流的單位功率因數(shù)。為了抑制電網(wǎng)電壓擾動，加入一個電網(wǎng)電壓前饋控制，電流環(huán)控制器的輸出與電網(wǎng)電壓的前饋信號疊加后，經(jīng)過SPWM調(diào)制后的輸出驅(qū)動開關(guān)管，從而實現(xiàn)單相逆變器的并網(wǎng)控制。

4 仿真和實驗

4.1 電流控制器仿真

基于Matlab/Simulink仿真平臺和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的實驗裝置，對系統(tǒng)進行了仿真和實驗研究，將電網(wǎng)電壓頻率從50 Hz偏移到48 Hz，仿真結(jié)果見圖5和圖6。其中，準(zhǔn)PR控制參數(shù)取0.3，取80，取2.5 rad/s。

圖5 電網(wǎng)頻率偏移時準(zhǔn)PR控制下的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓之間的關(guān)系

圖6 電網(wǎng)頻率偏移時準(zhǔn)PR控制下的誤差電流波形

由圖5看到，并網(wǎng)電流在0.35 s之后基本趨于穩(wěn)定，在電網(wǎng)電壓頻率產(chǎn)生偏移的情況下，穩(wěn)態(tài)時并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓之間基本不存在相位誤差。圖6是準(zhǔn)PR控制下給定參考電流與得到的并網(wǎng)電流之間的誤差電流波形，可以看到誤差電流基本為零。證明了在電網(wǎng)電壓頻率產(chǎn)生偏移的情況下，采用準(zhǔn)PR控制時，并網(wǎng)電流很好地跟蹤到了給定參考電流，驗證了準(zhǔn)PR控制具有良好的抵抗電網(wǎng)電壓擾動的能力。

4.2 自抗擾電壓控制仿真

直流母線電壓采用自抗擾控制的仿真結(jié)果見圖7和圖8。圖中，控制參數(shù)取值為：=1.25，α=1/3，σ=0.1，β1=1 000，β2=500，b=1，k1=15。

由圖7可以看出，當(dāng)直流母線電壓采用自抗擾控制時，= 0 s時刻控制開始，電壓超調(diào)很小，在=0.1 s之后就趨于穩(wěn)定；在=0.5 s時光強突變，直流電壓產(chǎn)生較小超調(diào)；在=0.62 s之后就穩(wěn)定運行在360 V左右，穩(wěn)態(tài)時的紋波較小。對應(yīng)圖8中的并網(wǎng)電流在=0 s、=0.5 s時刻之后產(chǎn)生的超調(diào)也較小，電流控制系統(tǒng)經(jīng)過較短的調(diào)整時間就能穩(wěn)定并網(wǎng)運行。因此，采用自抗擾控制時，克服了在外界干擾下PI控制超調(diào)大、調(diào)整時間長的缺點，使系統(tǒng)的抗外界干擾能力大大增強，保證了系統(tǒng)的安全運行。

4.3 并網(wǎng)控制實驗

圖9是準(zhǔn)PR控制下的并網(wǎng)電流波形，由圖9可知，并網(wǎng)電流很好地跟蹤了電網(wǎng)電壓，相位誤差幾乎為零，且并網(wǎng)電流所含的諧波較少。實驗波形驗證了準(zhǔn)PR控制器的合理性與優(yōu)越性。

圖7 自抗擾控制下光強突變時的直流母線電壓變化

圖8 自抗擾控制下光強突變時的并網(wǎng)電流變化

圖9電流環(huán)準(zhǔn)PR控制下并網(wǎng)電流穩(wěn)態(tài)波形

圖10 是直流母線電壓采用自抗擾控制時的穩(wěn)態(tài)波形，從圖10中可以看到直流母線電壓穩(wěn)態(tài)時電壓紋波較小，與仿真結(jié)果基本一致。

圖10 電壓環(huán)自抗擾控制下直流母線電壓穩(wěn)態(tài)波形

實驗過程中，光強突然增強時，自抗擾控制下的并網(wǎng)電流變化過程如圖11所示。從圖11中可以看到，直流母線電壓采用自抗擾控制時，并網(wǎng)電流經(jīng)過0.08 s就逐漸趨于穩(wěn)定，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。實驗證明采用自抗擾控制時，電流控制系統(tǒng)經(jīng)過較短的調(diào)整時間就能穩(wěn)定并網(wǎng)運行，從而增強了系統(tǒng)的抗擾能力。

圖11 電壓環(huán)自抗擾控制下并網(wǎng)電流的波形變化

5 結(jié)論

本文對單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制效果進行了仿真和實驗驗證，證明了所設(shè)計的控制系統(tǒng)的有效性與合理性。在硬件平臺上得出的實驗波形與仿真結(jié)果基本一致，驗證了控制方法的可行性。

[1]胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學(xué)出版社，2001：170-174.

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[4]葉斌.電力電子應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：12.

《燃料電池基礎(chǔ)》

燃料電池（MFC）是21世紀(jì)最有希望的新一代綠色能源動力系統(tǒng)，有助于解決能源危機和環(huán)境污染等問題。本書是一本淺顯易懂的教材和專業(yè)入門書籍，涵蓋了關(guān)于燃料電池的基礎(chǔ)科學(xué)與工程學(xué)。本書側(cè)重于基本原理，簡單明了地描述了燃料電池是如何工作的、為什么它可以產(chǎn)生如此高效的潛能，以及如何最佳地利用其獨特的優(yōu)勢等。

Control system design for PV grid system

ZHANG Xue-yu1,2,CHANG Da-yong1,GUO Xue-li1,SHANG Guang-wei1,GU Ying1

Single-phase photovoltaic inverter was the study object.A grid dual-loop control system based on the quasi-resonant control ratio and net current inner loop controller and ADRC controlled DC voltage loop controller was designed.Finally,based on Matlab/Simulink simulation platform and photovoltaic systems experimental device,the system simulation and experimental studies were taken,and the reasonable and correct of the control system were verified by the simulation and experimental results.

PV invert;control for grid system;proportion-resonant controller;ADR

TM 464

A

1002-087 X(2015)03-0571-03

2014-08-17

張雪煜(1994—)，女，河南省人，學(xué)士，主要研究方向為新能源發(fā)電。