基于前饋和PI控制的光伏離網(wǎng)逆變器的研究

王曉敏，李自成，剪浩杰，劉星雨

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

基于前饋和PI控制的光伏離網(wǎng)逆變器的研究

王曉敏，李自成*，剪浩杰，劉星雨

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

針對(duì)一般PI控制存在測(cè)量干擾的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了帶有前饋補(bǔ)償器和電流反饋PI補(bǔ)償器控制的微型光伏離網(wǎng)逆變器.利用狀態(tài)空間平均法建立理想反激轉(zhuǎn)換器的小信號(hào)數(shù)學(xué)模型，給出了輸入與輸出之間的傳遞函數(shù)；設(shè)計(jì)了帶有前饋補(bǔ)償器和PI控制器的微型光伏離網(wǎng)逆變器控制算法.為了驗(yàn)證提出的算法，通過(guò)微控制器實(shí)時(shí)對(duì)光伏電池板電壓、交流輸出電流、交流輸出電壓進(jìn)行采樣和計(jì)算，生成SPWM波形并驅(qū)動(dòng)開關(guān)管來(lái)實(shí)現(xiàn)DC-DC升壓變換和DC-AC變換，得到較為穩(wěn)定的正弦輸出.對(duì)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果進(jìn)行分析，充分驗(yàn)證了控制算法的有效性和可行性.

微型光伏離網(wǎng)逆變器；前饋控制；比例積分控制；總諧波系數(shù)

1　引言

太陽(yáng)能作為綠色能源，具有無(wú)污染、無(wú)噪音、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注［1］，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，其中研究最廣泛的即為光伏發(fā)電系統(tǒng).微型光伏發(fā)電系統(tǒng)不同于以往普通的大功率集成型的光伏發(fā)電系統(tǒng)，指每塊太陽(yáng)能電池板對(duì)應(yīng)一個(gè)低功耗逆變器模塊的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)［2］.微型光伏發(fā)電系統(tǒng)按照連接方式可以分為微型光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和微型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)［3］.

微型光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池板、蓄電池和微型逆變器構(gòu)成［4］，是一個(gè)獨(dú)立、閉合的發(fā)電系統(tǒng)［5］.白天，光伏電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為直流電，在微型逆變器的控制下，為本地負(fù)載進(jìn)行供電，給蓄電池充電；夜晚，蓄電池儲(chǔ)存的能量經(jīng)過(guò)微型逆變器為本地負(fù)載供電.其中，微型逆變器將光伏電池板或者蓄電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，是整個(gè)微型光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件［6］，對(duì)提高電力系統(tǒng)的控制能力、改善電力系統(tǒng)的無(wú)功損耗與諧波污染，都有著重大的意義［7］.這種系統(tǒng)可用于向移動(dòng)基站、路燈照明系統(tǒng)以及偏遠(yuǎn)地區(qū)居民供電等［8］.

微型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其不僅能夠給本地負(fù)載供電，還能夠?qū)⒍嘤嗟碾娔軅鬏數(shù)诫娋W(wǎng)［9］.微型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與微型光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵不同點(diǎn)在于并網(wǎng)系統(tǒng)需要跟蹤電網(wǎng)電壓頻率和相位.

隨著微型光伏離網(wǎng)逆變器控制技術(shù)的日漸成熟，不同功率的微型光伏離網(wǎng)逆變器得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，也產(chǎn)生了各種不同的控制方式.本文在已有電流反饋補(bǔ)償器的基礎(chǔ)上加入電壓前饋補(bǔ)償器，實(shí)現(xiàn)對(duì)微型離網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定控制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出算法的有效性.

2　微型離網(wǎng)逆變器控制策略

2.1理想反激轉(zhuǎn)換器建模

反激式變換器是帶有隔離的Buck-boost變換器，是高度的非線性系統(tǒng).圖1給出了一個(gè)理想反激轉(zhuǎn)換器的電路圖.

圖1　理想反激轉(zhuǎn)換器Fig.1　Ideal flyback converter

反激轉(zhuǎn)換器需要對(duì)3種狀態(tài)進(jìn)行分析，它們分別對(duì)應(yīng)著3個(gè)儲(chǔ)能元件：

Im——反激電感電流；

Vac——反激輸出電容電壓；

Iac——反激輸出電流.

式（1）給出了理想反激轉(zhuǎn)換器在一個(gè)開關(guān)周期的平均基爾霍夫電壓定律和電流定律的公式，其中d是占空比，d′為關(guān)斷時(shí)間，即1-d.式（1）中所有量均為一個(gè)開關(guān)周期的平均值，為了獲得系統(tǒng)輸出與輸入之間的傳遞函數(shù)，需要在選定工作點(diǎn)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化.

系統(tǒng)的狀態(tài)向量、輸入向量和輸出向量分別由式（2）～（4）給出.

對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)向量、輸入向量和輸出向量進(jìn)行擾動(dòng)和線性化，并隔離穩(wěn)態(tài)量和擾動(dòng)量，可以獲得式（5）：

向量X、Y和U表示系統(tǒng)的靜態(tài)工作點(diǎn)，向量x?、y?和u?是工作點(diǎn)上的擾動(dòng).將式（5）代入式（1）中，分離交流量，忽略較小的交流項(xiàng)，可得線性化系統(tǒng)公式為

根據(jù)式（6），可獲得小信號(hào)等效的交流電路，如圖2所示.

圖2　交流小信號(hào)模型Fig.2　AC small-signal model

根據(jù)式（6）和交流小信號(hào)模型，得到如式（7）所示的系統(tǒng)線性化狀態(tài)公式.

利用狀態(tài)空間平均法將式（7）寫成狀態(tài)矩陣形式：

因此得到輸出電流與控制輸入之間的傳遞函數(shù)為

圖4　控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.4　Diagram of control block

對(duì)式（9）進(jìn)行分析，該傳遞函數(shù)是一個(gè)右半平面零點(diǎn)傳遞函數(shù)，是典型的升降壓拓?fù)?

2.2離網(wǎng)逆變器控制策略

離網(wǎng)逆變器控制策略的關(guān)鍵在于如何在負(fù)載變化時(shí)仍舊能夠保持輸出電壓穩(wěn)定不變.為了保持逆變器輸出電壓穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)使用電流環(huán)控制方式，選取PI控制器作為反饋，反饋控制環(huán)路框圖如圖3所示，其傳遞函數(shù)Gc（s）為

圖3　電流環(huán)PI控制Fig.3　PI control of current loop

在理想狀態(tài)下，由于前饋補(bǔ)償器能夠完全抑制測(cè)量的干擾信號(hào)，因此結(jié)合了電壓前饋和電流反饋的系統(tǒng)能夠大幅提高系統(tǒng)的控制性能，效果要好于電流反饋補(bǔ)償?shù)那闆r.根據(jù)基本反激變換器的電壓轉(zhuǎn)換比公式，可以得到如下前饋補(bǔ)償器占空比D的表達(dá)式為

因此使用在反饋補(bǔ)償器的基礎(chǔ)上加入前饋補(bǔ)償器的控制方式，控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示.前饋補(bǔ)償器在光伏離網(wǎng)逆變器中的作用是提供穩(wěn)態(tài)占空比從而使反饋補(bǔ)償器提供的占空比僅用于追蹤動(dòng)態(tài)參考電流.最終占空比的表達(dá)式為

3　微型離網(wǎng)逆變器軟件設(shè)計(jì)

3.1控制芯片

在微型光伏離網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)中，選擇了帶有隔離型變壓器的有源鉗位反激式變換器先對(duì)光伏電池板輸出的直流電進(jìn)行升壓，再通過(guò)全橋去折疊電路翻轉(zhuǎn)得到工頻交流電.本設(shè)計(jì)的重中之重在于如何通過(guò)控制反激式變換器和全橋去折疊電路中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET），因此需要單片機(jī)擁有至少兩路高速脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）模塊；同時(shí)，需要對(duì)逆變器輸出電流、電壓和光伏電池板電壓進(jìn)行采樣，也要對(duì)反激輸出的電壓采樣、溫度采樣等以完成對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)，因此需要多路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道和比較器通道用于控制與保護(hù).選取Microchip公司的一款高性能低功耗16位數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC33FJ16GS504作為主控制單元，是因?yàn)槠涓咚貾WM模塊最多能支持4個(gè)PWM發(fā)生器，能提供4～8路互補(bǔ)輸出；高速10位模數(shù)轉(zhuǎn)換擁有10位分辨率，最多12路輸入通道可組成6個(gè)轉(zhuǎn)換對(duì)，滿足了本設(shè)計(jì)對(duì)電池板電壓、輸出電壓電流的采樣要求，同時(shí)通過(guò)軟件生成正弦脈寬調(diào)制波形（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）［10］.

3.2軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)采用一個(gè)主程序外加若干個(gè)子程序的方式，各個(gè)子程序分別完成不同的功能.

主程序主要完成單片機(jī)各項(xiàng)功能的初始化，如：模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog-to-Digital Conversion，ADC）模塊初始化、PWM模塊初始化、輸入輸出端口（Input/Output，I/O）初始化等.在各項(xiàng)初始化完成后使能各個(gè)模塊，進(jìn)入while（1）循環(huán)判斷是否進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)，主程序的流程圖如圖5所示.

中斷服務(wù)函數(shù)主要完成的任務(wù)是每17.5μs采樣光伏電池板電壓、逆變器輸出電流和逆變器輸出電壓，并通過(guò)計(jì)算得出下一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的SPWM占空比，觸發(fā)PWM模塊驅(qū)動(dòng)MOSFET工作.中斷服務(wù)函數(shù)的工作流程圖如圖6所示.

本系統(tǒng)中的電流補(bǔ)償器采用PI控制，采用霍爾效應(yīng)電流傳感器采樣逆變器輸出電流，傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)處理之后傳入到dsPIC DSC的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，與給定的基準(zhǔn)電流進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)，將偏差信號(hào)和給定信號(hào)依照PI算法進(jìn)行計(jì)算，得到電流反饋補(bǔ)償器的占空比.PI控制流程圖如圖7所示.

圖5　主程序流程圖Fig.5　Diagram of main program

圖6　中斷服務(wù)程序流程圖Fig.6　Diagram of interrupt service routine

圖7　PI控制流程圖Fig.7　Diagram of PI control

除了電流反饋補(bǔ)償器，本系統(tǒng)加入了前饋補(bǔ)償器.首先采樣逆變器輸出電壓和電池板輸出電壓，信號(hào)經(jīng)過(guò)處理之后傳入到dsPIC DSC的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元并獲取每個(gè)工頻周期逆變器輸出電壓的峰值，計(jì)算前饋占空比D.圖8為前饋控制流程圖.

圖8　前饋控制流程圖Fig.8　Diagram of feed-forward control

4　實(shí)驗(yàn)部分

4.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由可編程直流源、微型逆變器、負(fù)載和示波器等構(gòu)成.其中，使用致茂電子公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的Chroma 62006P-300-8可編程直流源模擬光伏電池板輸出，以滑動(dòng)變阻器作為負(fù)載，同時(shí)使用Tektronix公司TPS 2024B型隔離型示波器顯示檢測(cè)電壓波形.

4.2調(diào)試及其結(jié)果

將滑動(dòng)變阻器阻值調(diào)節(jié)到300 Ω，可編程直流源調(diào)節(jié)到36 V，1.5 A輸出，使用示波器觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

反激輸出結(jié)果和全橋去折疊后輸出的波形分別如圖9、圖10所示.由示波器輸出波形可以看出，逆變器輸出了比較平滑穩(wěn)定的正弦波形，滿足了給交流負(fù)載供電的要求.

圖9　反激輸出波形Fig.9　Waveform of flyback output

圖10　全橋輸出波形Fig.10　Waveform of full-bridge output

4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將微型離網(wǎng)逆變器輸出的波形數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232轉(zhuǎn)USB線保存為.csv文件，導(dǎo)入到MATLAB中的FFT Analysis模塊中進(jìn)行總諧波分析，分析結(jié)果如圖11所示，得到總諧波系數(shù)THD為3.29%，遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的5%.觀察圖11中的輸出波形圖，其輸出周期穩(wěn)定在0.02 s，輸出電壓的頻率穩(wěn)定在50 Hz.說(shuō)明加入前饋補(bǔ)償器后的微型光伏離網(wǎng)逆變器輸出電能質(zhì)量較好，輸出電壓頻率較為穩(wěn)定，驗(yàn)證了控制算法的有效性和可行性.

離網(wǎng)型微型光伏逆變器軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何使用前饋補(bǔ)償器和電流反饋補(bǔ)償器控制反激MOSFET的占空比，固定逆變器輸出電流的頻率.根據(jù)逆變器輸出電流、電壓采樣和電池板電壓采樣進(jìn)行計(jì)算構(gòu)成了一個(gè)帶有前饋補(bǔ)償器和電流PI控制補(bǔ)償器的占空比，產(chǎn)生波形質(zhì)量較好的工頻正弦波.

圖11　全橋輸出波形FFT分析Fig.11　FFT analysis of waveform of full-bridge output

5　結(jié)語(yǔ)

以上主要研究了微型光伏離網(wǎng)逆變器的控制策略，對(duì)理想反激轉(zhuǎn)換器建立小信號(hào)模型，并在電流補(bǔ)償器PI控制環(huán)的基礎(chǔ)上加入了前饋補(bǔ)償器.使用一款以dsPIC33FJ16GS504單片機(jī)作為主控制單元，有源鉗位反激式變換器為升壓變換電路，全橋去折疊電路為逆變電路的微型離網(wǎng)逆變器進(jìn)行實(shí)驗(yàn).完成其主函數(shù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換中斷函數(shù)、電流PI補(bǔ)償器以及前饋補(bǔ)償器的設(shè)計(jì).通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到了穩(wěn)定的、總諧波系數(shù)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的工頻交流電波形，驗(yàn)證了控制策略和軟件設(shè)計(jì)的可行性.

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本文編輯：陳小平

Off-Grid Inverter Based on Feed-Forward and Proportional Integral Control

WANG Xiaomin，LI Zicheng*，JIAN Haojie，LIU Xingyu
School of Electrical and Information Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

Aimed at the measuring interference in proportional integral（PI）control，the micro off-grid photovoltaic inverter with feed-forward and current feedback PI compensator was designed.The small signal model of ideal flyback converter was constructed by the state-space averaging method to derive the transfer function from the input and output signal.Then the control algorithm of the micro off-grid photovoltaic inverter with feed-forward compensator and PI controller was designed.To verify the proposed algorithm，the real-time photovoltaic（PV）panel voltage，alternating current（AC）output voltage and AC output current were sampled and calculated by the microcontroller to generate the sinusoidal pulse width modulation（SPWM）waveform，which could drive the switch to realize direct current（DC）-DC boost converter and DC-AC converter.Finally，the stable sinusoidal output was obtained.The effectiveness and feasibility of control algorithm was verified by the experiments.

micro off-grid photovoltaic inverter；feed-forward control；proportional integral control；total harmonic distortion

TM615

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.03.018

1674-2869（2016）03-0293-06

2016-03-02

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014CFB776）；武漢工程大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（CX2014043）

王曉敏，碩士研究生.E-mail：136762593@qq.com

李自成，博士，教授.E-mail：zcli@wit.edu.cn