基于重復(fù)和PI復(fù)合控制的光伏并網(wǎng)逆變器研究*

鄭　宏,蔣　超,蔣麗琴,申興宇

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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基于重復(fù)和PI復(fù)合控制的光伏并網(wǎng)逆變器研究*

鄭宏*,蔣超,蔣麗琴,申興宇

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

摘要:并網(wǎng)逆變器的控制策略是光伏逆變器各個(gè)控制模塊中最重要的環(huán)節(jié),如何使得逆變器輸出電流很好地跟蹤電網(wǎng)電壓,實(shí)現(xiàn)同頻同相,輸出波形質(zhì)量更高是逆變器控制的關(guān)鍵。針對(duì)以上問題,對(duì)重復(fù)控制原理進(jìn)行了深入的分析,設(shè)計(jì)PI閉環(huán)控制、重復(fù)控制以及重復(fù)和PI復(fù)合控制這3種控制方法對(duì)周期性擾動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié),并在MATLAB/Simulink環(huán)境中進(jìn)行了仿真,取得良好的并網(wǎng)逆變控制效果。仿真結(jié)果充分地說明了重復(fù)和PI復(fù)合控制對(duì)周期性擾動(dòng)有更好的抑制作用。

關(guān)鍵詞:并網(wǎng)逆變器;重復(fù)控制;PI控制;復(fù)合控制

隨著社會(huì)的發(fā)展,科技的進(jìn)步,人類所消耗的資源越來越多,全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重。太陽能以清潔、實(shí)用、易于大規(guī)模開發(fā)利用等優(yōu)點(diǎn)越來越受到大家重視[1]。

對(duì)于光伏并網(wǎng)逆變器的研究也越來越受到關(guān)注,而控制策略是逆變器最核心的技術(shù)[2-3]。傳統(tǒng)的PI控制雖然能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度,在一定程度上保證輸出電流的穩(wěn)定[4],但當(dāng)光伏系統(tǒng)受非線性負(fù)載和外部環(huán)境擾動(dòng)的影響時(shí),系統(tǒng)輸出電流波形質(zhì)量就變得較差[5-7]。而基于內(nèi)模原理的重復(fù)控制技術(shù)可以有效地抑制周期性干擾,增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性,提高波形質(zhì)量[8],但重復(fù)控制也存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的缺點(diǎn)。針對(duì)光伏系統(tǒng)易受周期性擾動(dòng)影響的特點(diǎn),本文提出采用重復(fù)控制和PI控制復(fù)合控制的方法,吸取兩者的優(yōu)點(diǎn),使系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度,降低了諧波含量。

1　重復(fù)控制原理

重復(fù)控制是基于內(nèi)模原理的一種控制思想。它的內(nèi)模數(shù)學(xué)模型描述的是周期性信號(hào),因而使得閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠無靜差地跟蹤周期信號(hào)[9]。單一頻率的正弦波是典型的周期信號(hào),它的數(shù)學(xué)模型為

(1)

只要在控制器前向通道串聯(lián)一個(gè)與輸入同頻率的正弦信號(hào),就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差跟蹤。重復(fù)控制也多用數(shù)字控制方式。離散后的重復(fù)控制內(nèi)模為

(2)

式中N為一個(gè)周期的采樣次數(shù);一般逆變器重復(fù)控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1　重復(fù)控制原理圖

圖2　重復(fù)和PI復(fù)合控制的示意圖

2　重復(fù)和PI復(fù)合控制器參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1內(nèi)模分析

重復(fù)控制來源于內(nèi)模原理,是它的一個(gè)特殊應(yīng)用。將周期性的輸入信號(hào)發(fā)生器引入到閉環(huán)控制系統(tǒng)中,以實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)下輸出量能無靜差地跟蹤輸入信號(hào)的控制目標(biāo)。離散逆變系統(tǒng)的內(nèi)模如圖1中虛線部分所示:

(3)

式中:為每個(gè)基波周期內(nèi)的采樣次數(shù),如果系統(tǒng)的采樣頻率為fs,基波頻率為f,那么N的計(jì)算方法為N=fs/f;Q(z)為略小于1的常數(shù)或一階低通濾波器。在該內(nèi)模中,前向通道上串聯(lián)的z-N是一個(gè)周期延遲環(huán)節(jié),可以使當(dāng)前周期的誤差信號(hào)。在下一周期起作用,但其延遲作用也影響了系統(tǒng)的快速性。引入帶限濾波器Q(z)的目的是提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在理想內(nèi)模條件下,Q(z)=1。此時(shí)系統(tǒng)可以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行理想的無靜差跟蹤。但這種情況下系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài),不符合穩(wěn)定性要求。所以一般設(shè)Q(z)為略小于1的常數(shù)或一階低通濾波器,以犧牲系統(tǒng)一定的跟蹤精度來保證穩(wěn)態(tài)裕度。本文取Q(z)=0.9。

2.2補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

為了提高整個(gè)系統(tǒng)的性能,需要針對(duì)被控對(duì)象設(shè)置重復(fù)控制器的補(bǔ)償器。見圖2,補(bǔ)償器C(z)=krzkS1(z)S2(z),式中,kr為重復(fù)控制器輸出控制量增益系數(shù),其值越大穩(wěn)態(tài)誤差越小,但系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)裕度也越小;其值越小系統(tǒng)越穩(wěn)定,而穩(wěn)態(tài)誤差越大。通常取kr=1。S(z)是針對(duì)被控對(duì)象平P(z)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)原理圖見圖3,本文中濾波電感Lf=47mH,電感寄生電阻RL=0.9Ω,濾波電容Cf=20μF,電容寄生電阻RC=0.02Ω,直流側(cè)電壓Udc=400V,電網(wǎng)交流電壓幅值ek=220V,由此可以得出被控對(duì)象的傳遞函數(shù):

(4)

圖3　系統(tǒng)原理圖

經(jīng)零階保持器法Z變換后得到:

(5)

其波特圖見圖4,可以看出逆變器的對(duì)數(shù)幅頻特性在ω=5 200rad/s處具有一個(gè)諧振峰;并且在中低頻段相移特別小,幾乎為零。

圖4　P(z)的波特圖

由于死區(qū)效應(yīng)和非線性負(fù)載引起的諧波主要集中在中低頻段,高頻部分含量很小;根據(jù)離散系統(tǒng)的穩(wěn)定條件希望得到的S(z)P(z)的波特圖在中低頻段應(yīng)為零相移,零增益,高頻段應(yīng)為急劇衰減,相移盡量為零。因此補(bǔ)償器的主要任務(wù)是:抵消逆變器模型伯德圖中的諧振峰,使得高頻段幅值急劇衰減,同時(shí)保證零相移。

2.2.1二階濾波器C1(z)的設(shè)計(jì)

C1(z)的作用是提供高頻衰減而不是減小諧振峰,故其截止頻率可以設(shè)的較大。本設(shè)計(jì)中其截止頻率取為逆變器的截止頻率即ωn=5 200rad/s,同時(shí)防止其自身再次諧振,阻尼比需要大于0.707,本文取為1.6。這樣可以得到

(6)

經(jīng)零階保持器法Z變換得到:

(7)

其波特圖如圖5所示。

圖5　C1(z)的波特圖

2.2.2零相移FIR濾波器C2(z)的設(shè)計(jì)

零相移FIR濾波器的幅頻特性是:在逆變器截止頻率之前沒有明顯的降低,在截止頻率之后增益的下降斜率迅速增大。這樣就克服了單純用低通濾波器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn),在逆變器的截止頻率處會(huì)有足夠的負(fù)增益抵消諧振峰。它的一般表達(dá)式為[24]:

(8)

結(jié)合P(z)的頻率響應(yīng)特性,文中設(shè)計(jì)為:

(9)

其波特圖如圖6所示。

圖6　C2(z)的波特圖

2.2.3Zk超前環(huán)節(jié)和調(diào)整系數(shù)

超前環(huán)節(jié)是用來補(bǔ)償被控對(duì)象和補(bǔ)償器所引起的總相位滯后,本設(shè)計(jì)中設(shè)k=6。調(diào)整系數(shù)用以改善系統(tǒng)性能,一般取為一個(gè)不大于 1 但接近于 1 的正常數(shù),本設(shè)計(jì)中取為 0.9。超前環(huán)節(jié)的波特圖如7圖所示,可看出其相位超前幾乎完全補(bǔ)償被控對(duì)象以及濾波器所引起的相位滯后。

圖7　Z6的波特圖

3　MATLAB/Simulink仿真研究

根據(jù)系統(tǒng)參數(shù),見表1。系統(tǒng)采用倍頻SPWM調(diào)制方法,給定信號(hào)為50 Hz正弦波,系統(tǒng)中的周期性干擾即為逆變器死區(qū)效應(yīng)及非線性器件所引起的諧波。

表1　仿真試驗(yàn)參數(shù)

圖8～圖10分別為采用PI、重復(fù)控制以及重復(fù)和PI復(fù)合控制3種方法的輸出電流波形;圖11～圖13為在這3種方法控制下輸出電流的諧波分析圖。

圖8　采用PI控制方法的輸出電流與電網(wǎng)電壓波形

圖9　采用重復(fù)控制方法的輸出電流與電網(wǎng)電壓波形

圖10　采用復(fù)合重復(fù)控制方法的輸出電流與電網(wǎng)電壓波形

圖11　采用PI控制方法的輸出電流波形的諧波分析圖

圖12　采用重復(fù)控制方法的輸出電流波形的諧波分析圖

圖13　采用復(fù)合控制方法的輸出電流波形的諧波分析圖

4　結(jié)論

本文對(duì)PI閉環(huán)控制、重復(fù)控制以及重復(fù)和PI復(fù)合控制這3種控制方法進(jìn)行了仿真,針對(duì)周期性擾動(dòng)3種方法都較好的實(shí)現(xiàn)了輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相,在PI閉環(huán)控制下的輸出電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,但波形THD達(dá)3.82%;在重復(fù)控制下的輸出電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后,但穩(wěn)態(tài)精度較高,波形質(zhì)量較好,THD為3.24%;在重復(fù)和PI復(fù)合控制下的輸出電流不僅動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,波形質(zhì)量也高,THD為2.54%。3種方法的仿真比較得出,對(duì)于周期性擾動(dòng),PI閉環(huán)控制和重復(fù)控制各有優(yōu)缺,結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn),重復(fù)和PI復(fù)合控制是更為理想的控制方法。

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鄭宏(1965-),男,漢族,教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)榇蠊β孰娏﹄娮幼儞Q器,分布式發(fā)電;

蔣超(1989-),男,漢族,碩士研究生,電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè),主要研究方向?yàn)榇蠊β孰娏﹄娮幼儞Q器,光伏并網(wǎng)逆變器,jiangchao971@163.com。

ResearchonPhotovoltaicGrid-ConnectedInverterBasedonRepetitiveandPIControl*

ZHENGHong*,JIANGChao,JIANGLiqin,SHENGXingyu

(College of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Jiang 212013,China)

Abstract:Grid-connected inverter control strategy is the most important link in the photovoltaic inverter control module,and how to make the output current of the inverter to track the grid voltage to achieve the same frequency and the same phase and improve the quality of the output waveform is the key of the inverter control.To solve the problem,deep analysis of Repetitive control principle is made,and three control methods which are PIclosed-loop control,repetitive control and repeat and PIcomposite control are designed to adjust the periodic disturbance.And simulation in MATLAB/Simulink environment is made.It achieves good grid inverter control effect.The simulation fully results that repeat and PIcomposite control has better inhibition to the periodic disturbance.

Key words:grid-connected inverter;repetitive control;PI control;composite control

doi:EEACC:8360;825010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.039

中圖分類號(hào):TM464

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)05-0983-04

收稿日期:2013-09-08修改日期:2013-09-28

項(xiàng)目來源:江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目;國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61074019)