PDFI控制下單相光伏并網(wǎng)逆變器的混合阻尼控制策略

楊秋霞，李 坤，王 虎，趙翠妹

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PDFI控制下單相光伏并網(wǎng)逆變器的混合阻尼控制策略

楊秋霞，李 坤，王 虎，趙翠妹

(燕山大學電氣工程學院，河北 秦皇島 066004)

傳統(tǒng)的比例積分(PI)控制由于具有一定的穩(wěn)態(tài)誤差，無法實現(xiàn)對并網(wǎng)電流快速精確的控制，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)以后所引入的電網(wǎng)電感對LCL濾波器的阻尼策略也有著不可忽略的影響。為了解決上述問題，提出了一種PDFI控制下單相光伏并網(wǎng)逆變器的混合阻尼控制策略。該策略介紹了比例延時反饋積分(PDFI)控制，在原有的PI控制上加上簡單反饋電路，實現(xiàn)了并網(wǎng)電流的無穩(wěn)態(tài)誤差控制。同時分析了以阻尼系數(shù)為研究對象的混合阻尼控制，改善了電網(wǎng)電感對LCL濾波器的阻尼影響。理論分析、實例仿真的結(jié)果表明，該控制策略下，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，并網(wǎng)電流實現(xiàn)了精確控制，并且對電網(wǎng)電感具有良好的適應性。

光伏并網(wǎng)逆變器；比例延時反饋積分；穩(wěn)態(tài)誤差；LCL濾波器；混合阻尼策略

0 引言

隨著化石燃料的日益緊缺，新能源發(fā)展形勢愈發(fā)開闊。其中，太陽能作為重要的可再生能源，應用也愈加廣泛，以此為基礎(chǔ)的光伏發(fā)電發(fā)展尤為蓬勃[1]。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的核心即是逆變器，并網(wǎng)逆變器通過控制并網(wǎng)電流來達到向電網(wǎng)傳輸功率的目的[2-3]。傳統(tǒng)的并網(wǎng)電流控制都采用成熟的PI控制，但因為PI控制具有一定的穩(wěn)定誤差，無法實現(xiàn)對并網(wǎng)電流精確快速的控制，而這恰恰是光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運行的關(guān)鍵之一[4]。采用同步旋轉(zhuǎn)坐標系PI控制可以很好地解決穩(wěn)態(tài)誤差這一問題[5]，但其無法直接應用到單相光伏并網(wǎng)逆變器中。當然，將單相系統(tǒng)通過信號重構(gòu)的方法構(gòu)造成三相系統(tǒng)可以應用同步旋轉(zhuǎn)坐標系，但是方式過于復雜，同時計算量也很大。為解決這一問題，本文引入了比例延時反饋積分控制，即PDFI控制。它無需過于繁雜的方式，只需在PI控制的基礎(chǔ)上加上一個簡單的延遲反饋環(huán)節(jié)，即可實現(xiàn)對并網(wǎng)電流的零穩(wěn)態(tài)誤差控制[6]。

另一方面，為了解決LCL濾波器的諧振問題，有源阻尼[7-8]與無源阻尼[9]被先后引入到光伏逆變系統(tǒng)的控制中，兩者通過不同的方式，均可以很好地改善LCL濾波器的諧振情況。但是，光伏逆變系統(tǒng)并入電網(wǎng)以后，不管形式怎樣，都會不可避免地引入電網(wǎng)電感，電網(wǎng)電感對LCL濾波器的阻尼策略有著不可忽略的影響[10]。針對于形式為電容電流反饋的有源阻尼，電網(wǎng)電感對其具有增強作用，針對于形式為在濾波電容旁串聯(lián)阻尼電阻的無源阻尼，電網(wǎng)電感對其具有削弱作用[11]。

本文在引入PDFI控制的基礎(chǔ)上，針對于電網(wǎng)電感對LCL濾波器的阻尼影響，引入了混合阻尼這一控制策略?；旌献枘峥刂平Y(jié)合PDFI控制，可實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、并網(wǎng)電流的零穩(wěn)態(tài)誤差控制等目標。

1 PDFI控制策略的引入

圖1 含有擾動量的典型控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)圖1，可推導出輸出量的表達式為

圖2 PDFI控制的結(jié)構(gòu)框圖

Fig. 2 Structure diagram of the PDFI control

圖2中，“-j”表示將工頻正弦信號滯后90o，即將反饋量傳遞延遲5 ms。根據(jù)圖2，可以計算得出PDFI控制器的傳遞函數(shù)為

將式(2)代入式(1)，可以得到：

(3)

2 混合阻尼控制策略的引入

2.1 LCL濾波器的數(shù)學模型

圖3為含有LCL濾波器的單相光伏并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)。其中，與為光伏電池所產(chǎn)生的直流電壓和電流，為電網(wǎng)電壓。忽略掉數(shù)值微小的電感電容寄生電阻以后，LCL濾波器則由逆變器側(cè)電感，濾波電容以及網(wǎng)側(cè)電感構(gòu)成。

圖3 含有LCL濾波器的單相光伏并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)

按照圖3所示的光伏逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)并結(jié)合相關(guān)的電路知識，可以得到含有LCL濾波器的逆變系統(tǒng)的電路方程組：

(6)

2.2 電網(wǎng)電感對LCL濾波器的阻尼影響

光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)并入電網(wǎng)的形式多種多樣，但不論哪種形式，都會因為并網(wǎng)時線纜、負載以及變壓器等電力設(shè)備所具有的阻抗而引入電網(wǎng)電感，在弱電網(wǎng)及多個光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)并聯(lián)入網(wǎng)時，這種情況更為普遍[10]。

為了直觀地看到電網(wǎng)電感的加入對LCL濾波器的影響，根據(jù)式(7)，繪制出LCL濾波器傳遞函數(shù)的伯德圖如圖4所示。其中，曲線1為不考慮電網(wǎng)電感的LCL濾波器，曲線2為考慮電網(wǎng)電感的LCL濾波器。

圖4 LCL濾波器的伯德圖

Fig. 4 Bode polt of the LCL filter

從圖4中可清晰地觀察到，考慮了電網(wǎng)電感以后，LCL濾波器的諧振頻率明顯降低了。所以LCL濾波器的阻尼策略必須考慮到電網(wǎng)電感的影響。

2.3 混合阻尼控制策略

基于文獻[10-11]的研究，電網(wǎng)電感的加入對有源阻尼有增強作用，對無源阻尼有削弱作用。為了抑制電網(wǎng)電感對LCL濾波器的阻尼影響，本文引入了有源阻尼和無源阻尼相互作用的混合阻尼控制策略，以充分利用兩者互補的優(yōu)勢，其控制原理框圖如圖5所示。

圖5 LCL濾波器的混合阻尼控制框圖

圖5控制框圖的傳遞函數(shù)可表示為

(9)

(11)

式(12)中，等式右側(cè)第一項表示無源阻尼的阻尼系數(shù)，第二項表示有源阻尼的阻尼系數(shù)。當電網(wǎng)電感增大時，LCL濾波器的諧振頻率會因其增大而降低，雖然無源阻尼的作用減小，但是有源阻尼的作用得到了增強。所以，通過合理的設(shè)計，可以保證隨著電網(wǎng)電感的加入，系統(tǒng)的總混合阻尼系數(shù)維持不變，也即是說，可以在一定程度上抑制電網(wǎng)電感的加入對LCL濾波器的阻尼影響。

根據(jù)合理設(shè)計，并結(jié)合式(12)繪制出了總混合阻尼系數(shù)隨著電網(wǎng)電感變化的情況，如圖6所示。

圖6 混合阻尼控制策略下阻尼系數(shù)與電網(wǎng)電感的關(guān)系

從圖中可以看出，總混合阻尼系數(shù)隨著電網(wǎng)電感的變化而基本保持穩(wěn)定，這一結(jié)論證實了混合阻尼控制策略確實抑制了電網(wǎng)電感的加入對LCL濾波器的阻尼影響。

3 混合阻尼控制策略下的PDFI控制

本文將LCL濾波器的混合阻尼控制與并網(wǎng)電流的PDFI控制相結(jié)合來觀察PDFI控制的作用效果。系統(tǒng)的控制框圖如圖7所示。其中，為并網(wǎng)電流參考電流，為并網(wǎng)電流反饋系數(shù)，則為PDFI控制器。

(14)

圖7 PDFI控制下單相光伏逆變器的混合阻尼控制框圖

根據(jù)上文的分析，結(jié)合式(2)和式(8)，式(14)可更改為

4 仿真驗證

根據(jù)圖7的控制框圖，利用Matlab 2012a搭建了PDFI控制與混合阻尼控制相結(jié)合的光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的模型。系統(tǒng)的仿真模型主要有光伏陣列，逆變器及其控制系統(tǒng)，LCL濾波器及電網(wǎng)。仿真模型的主要參數(shù)如下：直流母線電壓為400 V，開關(guān)頻率為1.2 kHz，采用單極性倍頻調(diào)制方式，電網(wǎng)電壓為311 V，基波頻率為50 Hz，逆變器側(cè)電感為2.8 mH，網(wǎng)側(cè)電感為0.56 mH，濾波電容為8 μF，阻尼電阻為1 Ω，電網(wǎng)電感為1 mH，電容電流反饋系數(shù)為4，并網(wǎng)電流反饋系數(shù)為1。

圖8所示為仿真模型運行后，電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流的仿真波形，從圖形中可以看出，電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流同頻同相，滿足并網(wǎng)條件之一。這說明，混合阻尼策略在考慮到電網(wǎng)電感以后，系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，也即說明，混合阻尼具有良好的電網(wǎng)適應性。

圖8 并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的仿真波形

圖9所示為同等參數(shù)下，并網(wǎng)電流采用PI控制運行0.035 s后，加入反饋環(huán)節(jié)，即使用PDFI控制后的仿真波形。從波形中可以很清晰地看出，傳統(tǒng)的PI控制無法使并網(wǎng)電流精確跟蹤參考電流，控制誤差比較明顯。采用PDFI控制以后，并網(wǎng)電流大約在半個工頻周期內(nèi)進入穩(wěn)態(tài)，實現(xiàn)了對并網(wǎng)電流的精確控制。

圖9 PI控制與PDFI控制的仿真波形

圖10、圖11為系統(tǒng)主要參量的仿真波形以及并網(wǎng)電流總諧波失真的FTT分析。從這兩個波形可以看出，采用PDFI控制與混合阻尼控制的光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)運行極為穩(wěn)定，并且在兩者的作用下，并網(wǎng)電流的總諧波失真減小至0.32%，遠低于并網(wǎng)要求的5%，大大滿足了電能質(zhì)量要求。

圖10 系統(tǒng)各主要參量的仿真波形

圖11 并網(wǎng)電流總諧波失真的FTT分析

5 結(jié)論

本文通過分析PDFI控制的原理及實現(xiàn)方式，并網(wǎng)引入的電網(wǎng)電感對LCL濾波器的阻尼影響，提出了PDFI控制與混合阻尼控制相結(jié)合的單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的控制策略，并給出了該控制策略下的仿真驗證結(jié)果，結(jié)果表明：PDFI控制在PI控制的基礎(chǔ)上增加了一個延遲反饋環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)對并網(wǎng)電流的精確控制。引入的混合阻尼控制策略在一定程度上抑制了電網(wǎng)電感對LCL濾波器的阻尼影響；PDFI控制與混合阻尼控制相結(jié)合使得系統(tǒng)運行穩(wěn)定，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，并網(wǎng)電流總諧波失真極小，很好地滿足了并網(wǎng)要求。由于本控制策略同時采用PDFI控制與混合阻尼控制，需要增加額外的傳感器及阻尼電阻，對系統(tǒng)的能耗及成本確有影響，但良好的穩(wěn)定性及出色的并網(wǎng)條件使得本控制策略具有一定的工程應用價值。

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(編輯 姜新麗)

Hybrid damping strategy for single-phase grid-connected PV inverter under the control of PDFI

YANG Qiuxia, LI Kun, WANG Hu, ZHAO Cuimei

(School of Electrical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

The conventional proportional-integral (PI) control can not achieve therapid and precise control of the grid-connected current because of its steady-state error. The introduction of grid inductor also has a non-negligible impact to damping strategy of the LCL filter when the PV system connects into the grid. To overcome the problems mentioned above, this paper presents a hybrid damping control strategy for single-phase grid-connected PV inverter with the control of PDFI. This strategy introduces proportional delay feedback integral (PDFI) control which adds a simple feedback circuit to the original PI control and can achieve the control of the grid current without steady-state error. The hybrid damping control is also analyzed which takes damping coefficient as the research object, and the impact of the grid inductor to damping strategy of the LCL filter is improved with addition of the hybrid damping control. The results of the theoretical analysis and the simulation both show that the proposed strategy has a great contribution to the control of the grid current and the steady operation of the system, and also has a good adaptability to the grid inductor. This work is National Natural Science Foundation of China (No. 61573303) and Natural Science Foundation of Hebei Province (No. E2016203092).

PV grid-connected inverter; PDFI; steady-state error; LCL filter; hybrid damping strategy

10.7667/PSPC151493

國家自然科學基金資助項目(61573303)；河北省自然科學基金資助項目(E2016203092)

2015-08-23；

2015-12-05

楊秋霞(1972-)，女，博士，副教授，研究方向為逆變器并網(wǎng)控制、電力系統(tǒng)控制；E-mail: yangqx_fly@163.com李 坤(1990-)，男，通信作者，碩士研究生，研究方向為光伏逆變器并網(wǎng)控制；E-mail:jkheaven@163.com 王 虎(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為光伏并網(wǎng)、故障穿越技術(shù)。E-mail: 748980475@qq.com