基于改進(jìn)型PI控制級聯(lián)單相光伏逆變器的研究與仿真

姜婷婷，李先允，彭 浩，周 宇，楊 麗

（1.南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京211167；2.江蘇省電力公司檢修分公司 江蘇 連云港222000）

基于改進(jìn)型PI控制級聯(lián)單相光伏逆變器的研究與仿真

姜婷婷1，李先允1，彭 浩2，周 宇1，楊 麗1

（1.南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京211167；2.江蘇省電力公司檢修分公司 江蘇 連云港222000）

傳統(tǒng)PI控制策略在光伏逆變器運用廣泛，但傳統(tǒng)PI控制大都因為參數(shù)值不精確，而造成波形畸變嚴(yán)重，電能質(zhì)量下降，因此，提出了改進(jìn)型PI控制的級聯(lián)式單相光伏逆變器。本文介紹了級聯(lián)單相光伏逆變器系統(tǒng)及其逆變器數(shù)學(xué)模型，介紹了逆變器參數(shù)計算方法,針對傳統(tǒng)PI控制的不足，改進(jìn)了PI控制，此控制方法可實時對參數(shù)合理動態(tài)調(diào)整，降低了諧波，提高了電能質(zhì)量。在Simulink環(huán)境中搭建級聯(lián)單相光伏逆變器模型，基于傳統(tǒng)PI控制和改進(jìn)型PI控制進(jìn)行了仿真，通過仿真結(jié)果對比，充分地說明了改進(jìn)型PI控制較傳統(tǒng)PI控制有較大的優(yōu)越性。

光伏并網(wǎng)；改進(jìn)型PI控制；單相光伏逆變器；仿真

能源短缺已嚴(yán)重威脅了人類的生存和發(fā)展，因此開發(fā),利用新能源具有重要的戰(zhàn)略意義，太陽能以其獨具的可再生無污染優(yōu)勢受到人們的青睞，光伏并網(wǎng)發(fā)電是利用太陽能的有效方式之一，而并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，其控制系統(tǒng)的好壞對于整個并網(wǎng)系統(tǒng)的性能具有重大的影響，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)要求并網(wǎng)逆變器能夠輸出正弦波電流，實時跟蹤電網(wǎng)電壓頻率和相位，而且電流的總畸變失真要低，以減小對電網(wǎng)諧波的影響［1-3］。

對于光伏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)，目前，主要采用滯環(huán)比較控制，PI控制，無差拍控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制，重復(fù)控制等控制策略［4-7］。其中PI控制策略是工程上廣泛應(yīng)用且較為成熟的方法［8］，該方法簡單、容易實現(xiàn)、動態(tài)性能好，但是PI控制可能因為參數(shù)初值選擇不佳造成誤差較大的問題,影響電能質(zhì)量。本文提出了改進(jìn)型PI控制的級聯(lián)式單相光伏逆變器，可實時對參數(shù)進(jìn)行合理動態(tài)調(diào)整，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性。通過設(shè)計級聯(lián)式單相光伏逆變系統(tǒng)，并在 Simulink環(huán)境中搭建模型進(jìn)行仿真，取得了良好的逆變控制效果，仿真結(jié)果充分地說明了改進(jìn)型PI控制動態(tài)性能較好。

1　級聯(lián)單相光伏逆變器系統(tǒng)及其逆變器數(shù)學(xué)模型

1.1級聯(lián)單相光伏逆變器系統(tǒng)主電路

太陽能電池陣列將接收到的太陽能量直接轉(zhuǎn)換為直流電壓，其次DC/DC電路升壓，然后經(jīng)過逆變器的輸出端輸出高頻SPWM波,其基波為正弦波，經(jīng)過電感濾波后向負(fù)載輸入正弦波電流。

圖1所示為光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路控制框圖。

圖1　光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路控制框圖

1.2級聯(lián)單相光伏逆變器電路數(shù)學(xué)模型

本文采用如圖2所示逆變電路及濾波電路，不考慮晶閘管關(guān)斷開通時間、濾波飽和等。

圖2　逆變電路及濾波電路

設(shè)開關(guān)函數(shù)：

逆變電路輸出端到濾波電路輸出端之間的傳遞函數(shù)為：

設(shè)開關(guān)函數(shù)：

可得到逆變后得到的電壓：

由于開關(guān)函數(shù)的存在，式（2）是不連續(xù)的，在一個開關(guān)周期內(nèi)對其進(jìn)行平均，可以得到：

設(shè)PWM波的調(diào)制波電壓為Uref。雙極性SPWM控制方式的占空比為：

并且可以得到開關(guān)函數(shù)S′的平均值：

由上可得，逆變電路和濾波電路的開環(huán)傳遞函數(shù)：

本文結(jié)合工程經(jīng)驗，取濾波電感L為2 mH，取濾波電容C為6 μF。

2　級聯(lián)單相光伏逆變器控制系統(tǒng)

PID控制算法以原理簡單，參數(shù)易于設(shè)定，得到了廣泛的應(yīng)用，成為最為經(jīng)典的控制算法。在當(dāng)今應(yīng)用的工業(yè)控制器中，有半數(shù)以上采用了PID或者變形PID控制方式。本文也采用了改進(jìn)PID控制策略，以提高系統(tǒng)動態(tài)性能。

2.1傳統(tǒng)PI控制參數(shù)選擇的局限性

對于傳統(tǒng)PI控制算法，其時域方程為：

式中，kp為比例控制參數(shù)，ki為積分控制參數(shù)，y（t）為PI控制器輸出的控制信號，e（t）為輸入PI控制器的誤差。

由上可知，輸出的控制信號是由控制參數(shù)，決定的，然而在實際運用中，控制參數(shù)，很難精確計算，總會存在誤差，目前主要依賴于人工調(diào)節(jié)方法，此方法不僅耗費人力物力，而且控制參數(shù)精確度調(diào)節(jié)并不理想。

2.2改進(jìn)PI控制算法

本文通過對傳統(tǒng)PI控制改進(jìn)，使其可以自動調(diào)節(jié)參數(shù)，改善輸出波形。改進(jìn)型的PI控制框圖如3所示。

圖3　改進(jìn)PI控制框圖

控制器A采用經(jīng)典的PI控制，在第k個周期，其控制參數(shù)為kp（k）、ki（k）。在第k+1個周期內(nèi)，將輸出電壓與參考電壓進(jìn)行比較，得到第一個周期的電壓誤差E（k+1）。誤差信號E（k+1）被送入誤差比較模塊。在誤差比較模塊中，誤差信號E（k+1）與上一個周期（第k個周期）的誤差信號E（k）進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差變化信號：

誤差變化信號△E（k+1）被送入控制器B中。控制器B的作用是調(diào)整控制器A中PI控制的控制參數(shù)。根據(jù)式（9），控制參數(shù)kp、ki在控制器B中進(jìn)行調(diào)整：

其中：sp與si為控制參數(shù)周期調(diào)整系數(shù)，一般可以取：sp為0.1，si為0.01。

同理，將此次的誤差信號與上一周期的誤差信號進(jìn)行比較，控制器C根據(jù)誤差信號的變化情況，向控制器D送出新的PI控制參數(shù)，經(jīng)由控制器D計算后，送至PWM生成器，生成PWM信號，驅(qū)動IGBT工作。

改進(jìn)PI算法可對參數(shù)自我調(diào)整，改善波形，提高電能質(zhì)量，本文逆變電路控制方式采用逆變電路采用電壓環(huán)、電流環(huán)雙閉環(huán)控制，均采用改進(jìn)的PI控制器。電壓外環(huán)控制輸出電壓跟蹤基準(zhǔn)正弦波電壓的變化，其改進(jìn)型PI控制器control的輸出，作為電流的給定值。電感電流內(nèi)環(huán)控制電感電流跟蹤PI控制器control1輸出的電流給定值，提高逆變器系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力。

3　逆變器仿真及分析

本文仿真主要分為兩個方面，首先在Simulink搭建了基于傳統(tǒng)PI控制光伏逆變器、改進(jìn)PI控制光伏逆變器，通過波形分析，比較改進(jìn)PI控制光伏逆變器效果。其次在Simulink搭建了級聯(lián)式光伏逆變器系統(tǒng)仿真模型，查看進(jìn)型PI控制算法在并網(wǎng)模型中效果。本文參數(shù)都采用以上已給出的參數(shù)，若沒有給出，則采用工程中常用參數(shù)。

3.1傳統(tǒng)PI控制及改進(jìn)PI控制算法仿真結(jié)果對比

本文在Simulink搭建了基于傳統(tǒng)PI控制光伏逆變器、改進(jìn)PI控制光伏逆變器，仿真結(jié)果如圖4、5所示。

圖4　傳統(tǒng)PI控制仿真結(jié)果

圖5　改進(jìn)PI控制仿真結(jié)果

如圖4所示輸出電壓仿真波形可知，由于初值設(shè)置并不準(zhǔn)確，輸出波形與參考值一直存在誤差，由此可知，傳統(tǒng)PI控制不能自動調(diào)節(jié)不合理參數(shù)，可能會造成電能質(zhì)量下降。如圖5所示改進(jìn)PI控制仿真結(jié)果可知，由于控制參數(shù)初值不合理，剛開始輸出波形與參考波形有誤差，經(jīng)過半個周期，PI控制調(diào)整器自動調(diào)節(jié)參數(shù)，經(jīng)調(diào)節(jié)至0.03 s時，輸出波形與參考波形誤差基本可以忽略。由上分析可知，改進(jìn)PI控制算法可以自動調(diào)整控制參數(shù)，克服控制參數(shù)初值選擇不合理造成輸出波形不準(zhǔn)確問題，相比傳統(tǒng)PI控制具有較大優(yōu)勢。

3．2級聯(lián)式光伏逆變器系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析

本文在Simulink搭建了級聯(lián)式光伏逆變器系統(tǒng)仿真模型,通過仿真，波形如圖6所示。

圖6　級聯(lián)式光伏逆變器系統(tǒng)仿真結(jié)果

如圖6所示可以看出，并網(wǎng)電流在第一個周期，出現(xiàn)了較大波動。但經(jīng)由控制器調(diào)整后，誤差得以迅速縮小，并網(wǎng)電流呈正弦波形，與電網(wǎng)電壓同頻同相。說明改進(jìn)型PI控制算法在并網(wǎng)模型中可取得良好的效果。

圖7　并網(wǎng)電流的FFT分析

通過Simulink中powergui模塊中的FFT分析功能也可以對輸出電流進(jìn)行分析。如圖7所示，從參數(shù)調(diào)整后，0.02 s開始，檢查4個周期的波形，其并網(wǎng)電流諧波THD=4.42%，由FFT分析可知，諧波明顯下降，因此，級聯(lián)式光伏逆變器系統(tǒng)使用改進(jìn)PI控制可提升電能質(zhì)量。

4　結(jié)論

傳統(tǒng)PI控制策略在光伏逆變器運用廣泛，但傳統(tǒng)PI控制往往因為參數(shù)值不精確，而造成波形畸變嚴(yán)重，電能質(zhì)量下降。本文通過對傳統(tǒng)PI控制進(jìn)行改進(jìn)，可實時調(diào)節(jié)參數(shù)，改善波形輸出，提高了電能質(zhì)量，通過在Simulink搭建了級聯(lián)式光伏逆變器系統(tǒng)仿真模型，由仿真結(jié)果分析得出通過參數(shù)動態(tài)調(diào)整，基于改進(jìn)型PI控制級聯(lián)式光伏逆變器系統(tǒng)有效降低諧波并改善了輸出波形，驗證了改進(jìn)型PI控制較傳統(tǒng)PI控制具有較好的優(yōu)越性。

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Research and simulation of cascaded single-phase photovoltaic inverter based on modified PI control

JIANG Ting-ting1,LI Xian-yun1,PENG Hao2,ZHOU Yu1,YANG Li1
（1.School of Electric Power Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China；2.Department of Jiangsu Electric Power Company's Maintenance Branch，Lianyungang 222000,China）

Traditional PI control strategy is widely used in photovoltaic inverter,but because of inaccurate parameter values of the traditional PI control,it's caused serious waveform distortion and power quality decline mostly.Therefore,it proposes a modified cascaded PI control single-phase photovoltaic inverter.This paper introduces the cascade of single-phase photovoltaic inverter system,inverter mathematical model and the method of inverter parameter calculation.Aiming at the shortcomings of traditional PI control,it modifies PI control which can adjust dynamically parameters in real time and reduce the harmonic and improve power quality.It builds a cascade of single-phase photovoltaic inverter model in the Simulink environment,and it simulates based on the traditional PI control and modified PI control.By comparison with the simulation results,it fully illustrates that the modified PI control than traditional PI control has great superiority.

photovoltaic grid；modified PI control；single-phase photovoltaic inverter；simulation

TN99

A

1674－6236（2016）13-0129-04

2015-07-16稿件編號：201507124

江蘇省2014年度普通高校研究生實踐創(chuàng)新計劃項目（SJZZ14-0201）

姜婷婷（1991—），女，江蘇連云港人，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)運行與控制。