基于改進(jìn)PR控制的多功能逆變器控制策略

劉亞峰，陳 羽，彭 克，劉國(guó)棟

（山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

基于改進(jìn)PR控制的多功能逆變器控制策略

劉亞峰，陳 羽，彭 克，劉國(guó)棟

（山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

多功能并網(wǎng)逆變器（multi-functional grid-tied inverter，MFGTI）在實(shí)現(xiàn)分布式電源（Distributed Generation，DG）并網(wǎng)的同時(shí)能夠兼具電能質(zhì)量治理的功能，相比功能單一的并網(wǎng)逆變器，具有更好的應(yīng)用前景。針對(duì)分布式電源的多功能并網(wǎng)逆變器進(jìn)行研究，針對(duì)傳統(tǒng)PR控制器，提出一種基于改進(jìn)PR控制的多功能逆變器跟蹤控制方法，除了并網(wǎng)控制外還兼具了濾除諧波電流的功能。設(shè)計(jì)了應(yīng)用多層PIR控制器的雙環(huán)PQ逆變器控制，使并網(wǎng)的分布式電源除了提供功率以外還能夠有效濾除特定次數(shù)諧波。建立該控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并且利用DIGSILENT／PowerFactory對(duì)其進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的正確性和有效性。仿真結(jié)果表明，所提出的多功能逆變器除了能夠改善并網(wǎng)點(diǎn)的電能質(zhì)量，還能夠滿足微網(wǎng)的要求，對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行PQ控制。

分布式發(fā)電；諧波補(bǔ)償；多功能逆變器；PIR控制

0 引言

分布式發(fā)電系統(tǒng)是應(yīng)對(duì)環(huán)境污染、應(yīng)用清潔能源的有效途徑，也是解決能源危機(jī)、利用可持續(xù)能源的較為現(xiàn)實(shí)的方式，近年來(lái)分布式電源（DG）得到了越來(lái)越多的重視［1］。如何將不可控的分布式電源以更高的電能質(zhì)量穩(wěn)定地接入電網(wǎng)便成了研究的熱點(diǎn)。分布式電源一般通過(guò)并網(wǎng)逆變器接入微電網(wǎng)中。已經(jīng)有學(xué)者對(duì)并網(wǎng)逆變器的拓?fù)湟约翱刂撇呗赃M(jìn)行了大量的研究［2-5］。為了降低分布式發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理的成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，提出了多功能并網(wǎng)逆變器的概念［6］。多功能并網(wǎng)逆變器即是復(fù)合了并網(wǎng)逆變器完成可再生能源或儲(chǔ)能等微電源并網(wǎng)的功能和其他一些注入電能治理等功能的并網(wǎng)逆變器［7］。整合了功能分離的多臺(tái)逆變器的功能于一臺(tái)逆變器，將大幅降低系統(tǒng)的投資費(fèi)用，提高DG系統(tǒng)的靈活性和適用范圍，且更加便于維護(hù)［8］。文獻(xiàn)［9-10］提出了一種基于PI控制的復(fù)合了APF功能的三相多功能逆變器，在abc坐標(biāo)系下，PI控制器很難實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦交流量的無(wú)靜差跟蹤；文獻(xiàn)［11］提出了一種基于滯環(huán)控制復(fù)合了PFC和UPS功能的多功能逆變器，文獻(xiàn)［12-13］提出了一種基于滯環(huán)控制復(fù)合了UPQC功能的多功能逆變器，但是滯環(huán)控制開(kāi)關(guān)頻率過(guò)大，容易造成發(fā)熱［14-15］。

本文基于傳統(tǒng)的PI控制器和PR控制器，提出了一種應(yīng)基于改進(jìn)型PR控制器——PIR控制器的多功能逆變器，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，能夠?qū)崿F(xiàn)電流無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤電流參考值。

1 DG系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

DG系統(tǒng)的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)包括一個(gè)通過(guò)多功能逆變器并網(wǎng)的DG系統(tǒng)和下游的一個(gè)非線性負(fù)荷，經(jīng)PCC點(diǎn)直接連接到電網(wǎng)。uDC為變壓器直流側(cè)的直流電壓，iDG為逆變器輸出電流，i為并網(wǎng)電流。直流側(cè)電壓由DG或者儲(chǔ)能裝置提供，直流電通過(guò)三相逆變器，經(jīng)過(guò)多功能逆變器控制，通過(guò)PWM調(diào)制輸出三相交流電。

圖1 DG系統(tǒng)并網(wǎng)拓?fù)?/p>

2 多功能逆變器控制設(shè)計(jì)

在聯(lián)網(wǎng)模式中，從外網(wǎng)看，DG系統(tǒng)應(yīng)具有類似負(fù)荷特性。PQ控制又稱定功率控制，多應(yīng)用于并網(wǎng)情況，控制目的是要求DG系統(tǒng)的輸出無(wú)功功率和有功功率等于其功率參考值，另外由于外部大電網(wǎng)承擔(dān)了頻率和電壓的支撐，PQ控制不必考慮電壓和頻率問(wèn)題。主要通過(guò)測(cè)量DG系統(tǒng)的電壓和電流計(jì)算出有功功率和無(wú)功功率的輸出值與預(yù)設(shè)的參考值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制最終得到PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的電壓或電流調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)恒功率輸出的目的。

圖2 多功能逆變器控制器設(shè)計(jì)

如圖2所示，多功能逆變器控制主要由PLL鎖相環(huán)［16］、功率計(jì)算、功率控制、諧波測(cè)量、電流控制等部分組成。其中，PO、QO是功率計(jì)算得到的逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率，Pref、Qref是相應(yīng)的功率參考值；θ是由PLL鎖相環(huán)檢測(cè)到的電壓相位；idref、iqref是PQ功率控制得到的指令電流的d軸分量和q軸分量，ihdabc是諧波檢測(cè)得到的諧波電流，一起輸入給電流控制，由電流內(nèi)環(huán)控制進(jìn)行合成指令電流和對(duì)其跟蹤控制。

功率控制如圖3所示，功率計(jì)算得到Qref和Pref經(jīng)過(guò)PI控制得到dq軸的指令電流idref和iqref，輸出給電流控制。

圖3 功率控制器結(jié)構(gòu)

P和Q解耦以后分別進(jìn)行控制，并采用功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略，通過(guò)測(cè)量三相瞬時(shí)值電流與三相瞬時(shí)值電壓，得到PO和QO，并和相應(yīng)的功率的參考值進(jìn)行比較，然后對(duì)其誤差進(jìn)行PI控制，得到內(nèi)環(huán)控制器的參考信號(hào)idref和iqref，經(jīng)過(guò)dq反變換后，與諧波檢測(cè)得到的諧波電流ihabc疊加然后與檢測(cè)到實(shí)際電流進(jìn)行比較，對(duì)其誤差進(jìn)行PIR跟蹤控制，得到PWM變流器的調(diào)制信號(hào)。

2.3 電流控制設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)PQ控制由于在dq坐標(biāo)系下，采用PI控制器進(jìn)行并網(wǎng)電流的跟蹤，是由于在dq坐標(biāo)系下并網(wǎng)指令電流idref、iqref均為一個(gè)常數(shù)。需要abc坐標(biāo)系下的并網(wǎng)指令電流跟蹤控制器，而在abc坐標(biāo)系下，指令電流是正弦量，若應(yīng)用PI控制器，會(huì)出現(xiàn)明顯的幅值和相位穩(wěn)態(tài)誤差，將減小功率因數(shù)，降低了并網(wǎng)的電能質(zhì)量。

借鑒dq軸是由abc軸和αβ軸旋轉(zhuǎn)得到的思路，將PI控制器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，就能夠得到PR控制器。對(duì)于所述PI控制器的不足，PR控制器能夠有效解決，通過(guò)PR控制器對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行跟蹤，能夠?qū)φ倚盘?hào)進(jìn)行很好的跟蹤。PR控制器的傳遞函數(shù)GPR（s）為

式中：Kp和KR分別為PR比例諧振控制器的比例參數(shù)和諧振參數(shù)；ω0為諧振頻率。

取Kp=50，KR=1 500，ω0=2πf=315 rad，波特圖如圖4所示。

圖4 PR控制器波特圖

PR控制器波特圖如圖4所示，PR控制器在ω0處的增益很大，但是其帶寬非常小、非基波頻率處增益非常小。而實(shí)際中微網(wǎng)的頻率并不穩(wěn)定，很容易發(fā)生偏移。當(dāng)頻率發(fā)生偏移的時(shí)候，PR控制器將并不能有效工作。

提出了應(yīng)用改進(jìn)PR控制器——PIR控制器，其傳遞函數(shù)G′PR（s）表達(dá)式為

式中：Ki為積分參數(shù)；ωc為截止頻率，改善了增益的頻帶特性，當(dāng)頻率發(fā)生偏移的時(shí)候，也具有較好的跟蹤能力。

Kp＝50，Ki＝450，KR＝1 500，ωc＝10 rand／s時(shí)PIR控制器波特圖如圖5所示。在額定頻率處，ωc參數(shù)取值越小，帶寬越窄；ωc越大，帶寬越寬。

圖5 PIR控制器波特圖

在多功能逆變器上，考慮到諧波量，不僅要對(duì)工頻量進(jìn)行跟蹤控制，還需要對(duì)倍頻量進(jìn)行跟蹤控制，需要一個(gè)多層PR控制器，其傳遞函數(shù)為

式中：h為諧波的次數(shù)；KRh為h次諧波的諧振參數(shù)；ωch為 h次諧波的截止頻率；ωh位 h次諧波的諧振頻率。

應(yīng)用多層PIR控制器設(shè)計(jì)電流控制如圖6所示。idref和iqref經(jīng)過(guò)dq反變化得到abc坐標(biāo)軸下的控制電流，與諧波檢測(cè)得到的abc三相的諧波電流iah、ibh、ich相疊加，得到 abc坐標(biāo)軸下的指令電流 iaref、ibref、icref，與測(cè)得的 ia、ib、ic相比較，然后對(duì)其誤差進(jìn)行多層PIR控制，得到PWM逆變器的調(diào)制電壓信號(hào)Va、Vb、Vc。

圖6 基于多層PIR的電流控制

4 諧波檢測(cè)原理

GB／T 14549—1993 《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對(duì)諧波的定義：“對(duì)周期性交流量進(jìn)行傅里葉分解，得到頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量。”

目前諧波檢測(cè)最快速、應(yīng)用最廣泛的就是基于瞬時(shí)無(wú)損功率理論的諧波檢測(cè)方法［17］，本文也采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq諧波檢測(cè)方法。

圖7 諧波檢測(cè)原理

諧波檢測(cè)原理如圖7所示，C32是abc坐標(biāo)系到αβ正交坐標(biāo)系的變換矩陣，Cpq是αβ正交坐標(biāo)系到pq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣。Cpq-1是由pq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到αβ正交坐標(biāo)系的變換矩陣，C32-1是由αβ變換回abc坐標(biāo)軸變換矩陣。其中，Cpq和C32為

采用鎖相環(huán)技術(shù)PLL對(duì)電網(wǎng)a相電壓鎖相，得到ω供Cpq矩陣使用。三相輸入電流ia、ib、ic經(jīng)過(guò)C32變換和Cpq變換得到有功電流和無(wú)功電流ip、iq。經(jīng)過(guò)低通濾波器LPF濾波后得到直流分量，再經(jīng)過(guò)一定的反變換就能得到三相交流的基波分量 iaf、ibf、icf，最后用三相電流與三相基波電流相減，即可求出三相電流的諧波分量iah、ibh、ich。

5 仿真分析

采用 PowerFactory／DIgsilent軟件進(jìn)行建模仿真。分布式電源并網(wǎng)如圖8所示。

圖8 分布式電網(wǎng)并網(wǎng)模型

直流電壓源和PWM逆變器代表一個(gè)分布式電源系統(tǒng)，DC為直流母線，直流側(cè)電壓為0.8 kV。AC／PCC為并網(wǎng)點(diǎn)的0.4 kV交流母線。分布式電源系統(tǒng)指令有功和無(wú)功分別為0.5MW和0.2Mvar。外部電網(wǎng)等效于功率無(wú)窮大電源。線路L1001為架空線，AC單位長(zhǎng)度正負(fù)序電阻為R′=0.284Ω／km，單位長(zhǎng)度正負(fù)序電抗X′=0.083Ω／km，導(dǎo)體材料為鋁。

外環(huán)PI控制器參數(shù)K=0.5、T=0.02，內(nèi)環(huán)PIR控制器KP=50，Ki=450，Kr=1 500，h=5，7，11，13。

圖9 PQ控制驗(yàn)證

0.5 s時(shí)，切除總負(fù)載，控制結(jié)果如圖9所示。在負(fù)載切除后，基本能夠保持分布式電源輸出的有功無(wú)功功率恒定。

非線性負(fù)荷未濾波三相電流波形及頻譜如圖10和圖11所示，由于非線性負(fù)載的存在，三項(xiàng)電流波形畸變嚴(yán)重，畸變率很高，達(dá)到16.33%，主要含有5次、7次、11次和13次諧波。

圖10 非線性負(fù)荷未濾波三相電流波形

圖11 非線性負(fù)荷未濾波頻譜

圖12 非線性負(fù)荷濾波后電流波形

圖13 非線性負(fù)荷濾波后頻譜

濾波后的電流波形和傅里葉變換頻譜如圖12和圖13所示，總諧波畸變率降低到了2.08%。對(duì)比圖11和圖13可以看出：圖11得到主要諧波次數(shù)，將多層PIR控制器參數(shù)設(shè)置h=5，7，11，13。5次、7次、11次、13次諧波明顯降低，具有很好的濾波效果。GBT 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定0.4 kV等級(jí)，THD不超過(guò)5%。濾波前負(fù)載電流諧波畸變率THD為16.33%，濾波后，將諧波畸變率THD降低到了2.08%。

仿真結(jié)果證明，多功能逆變器DG系統(tǒng)具有恒功率控制和諧波治理的作用，對(duì)指定次數(shù)諧波具有很好的治理作用。

6 結(jié)語(yǔ)

采用靜止αβ坐標(biāo)系下的改進(jìn)PR控制，利用入網(wǎng)電流作為電流內(nèi)環(huán)，瞬時(shí)功率作為外環(huán)，設(shè)計(jì)具有諧波補(bǔ)償功能的多功能逆變器。 通過(guò)PowerFactory／DIgsilent進(jìn)行建模仿真。仿真結(jié)果表明，該多功能逆變器系統(tǒng)能夠輸出恒定的有功功率和無(wú)功功率，并且對(duì)特定次數(shù)的諧波具有良好的補(bǔ)償性能。

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Control S trategy of M ulti-function I nverter B ased on I m proved PR C ontrol

LIU Yafeng，CHEN Yu，PENG Ke，LIU Guodong
（School of Electrical and Electronic Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China）

The multi-function grid-connected inverter is able to condition the power quality while serving as an interface between the distribution generations and the grid.It has a better prospect comparing with the single-function grid-connected inverter.In this paper，the conventional PR controller is reviewed.Based on characteristic of the PR control，a new ea tracking control of the multi-function grid-connected inverter for interfacing the distribution generations to the grid is proposed based on by implementing the improved PR control.In addition to the grid connected control of the fundamental harmonic，it is also able to filter the harmonic currents.A dual loop PQ control using several parallel PIR controllers to control the grid-connected distributed g eneration is designed in order to effectively eliminate certain harmonics.The mathematical model of the control system is established and simulated via PowerFactory／DIgsilent.The validity and effectiveness of the proposed control system is verified by simulation.The simulation results show that the proposed multiefunction inverter is able to not only satisfy the requirements of themicro-network and PQ control for grid-connection but also improve the power quality within the grid.

distributed generation；harmonic compensation；multifunctional inverter；PIR control

TM72

A

1007－9904（2017）06－0035－06

2017-02-18

劉亞峰（1990），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲⒕W(wǎng)電能質(zhì)量。