基于準(zhǔn)比例諧振控制單相并網(wǎng)逆變器的研究

，，

(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

基于準(zhǔn)比例諧振控制單相并網(wǎng)逆變器的研究

王飛，吳健芳，王紅波

(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

設(shè)計(jì)一種具有零穩(wěn)態(tài)誤差的單相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)。詳細(xì)的討論分析了比例積分(PI)控制器、比例諧振(PR)控制器和準(zhǔn)比例諧振(PR)控制器。利用MATLAB/Simulink搭建單相并網(wǎng)逆變器仿真模型并進(jìn)行仿真分析,證明了準(zhǔn)PR控制器消除穩(wěn)態(tài)誤差和抗電網(wǎng)干擾方面的優(yōu)越性。最后，搭建了一個(gè)1kW的基于準(zhǔn)比例諧振控制的單相并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

單相逆變器;零穩(wěn)態(tài)誤差;準(zhǔn)比例諧振控制

1 引言

對(duì)于并網(wǎng)逆變器電流控制目前常用的有PI控制、PR控制、滯環(huán)控制等控制方案[1]。常規(guī)的PI控制對(duì)正弦的參考電流卻難以達(dá)到理想的控制效果[4]。PR控制[5]，可以在并網(wǎng)電流基波頻率處獲得無(wú)窮大的增益，減小甚至消除穩(wěn)態(tài)誤差，但是PR控制器在非基波頻率處，其增益很小。滯環(huán)控制具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)，但是開關(guān)頻率、損耗及控制精度受滯環(huán)寬度的影響。環(huán)寬越小，控制精度越高，但開關(guān)頻率和損耗將會(huì)增大[6]。此外，滯環(huán)控制還可能存在開關(guān)頻率波動(dòng)較大的問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)一種零穩(wěn)態(tài)誤差單相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)。首先分析了并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)PI控制器，PR控制器及準(zhǔn)PR控制器對(duì)系統(tǒng)控制性能進(jìn)行了對(duì)比分析。通過(guò)分析可知，準(zhǔn)PR控制方法具有穩(wěn)態(tài)性能好，抗擾動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。通過(guò)搭建單相并網(wǎng)逆變器仿真和實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)果證明準(zhǔn)PR控制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流的無(wú)靜差控制，并且具有良好的并網(wǎng)波形質(zhì)量。

2 單相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)原理

2.1 逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其組成部分包括：全橋逆變電路、輸出濾波電路、采樣調(diào)理電路、DSP控制板以及驅(qū)動(dòng)電路。

2.2 逆變系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

為了更好的分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)以及動(dòng)態(tài)性能，建立了并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖，并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 并網(wǎng)逆變器原理圖

根據(jù)圖2，可以推到出并網(wǎng)逆變器輸出電流的傳遞函數(shù)如公式(1)所示。

(1)

3 PI，PR，準(zhǔn)PR控制器控制性能分析

為了更好的分析三種控制器的控制性能，本文從穩(wěn)態(tài)誤差，抗電網(wǎng)干擾性等方面對(duì)PI控制器、PR控制器、準(zhǔn)PR控制器進(jìn)行對(duì)比分析。

PI控制器的傳遞函數(shù)為：

(2)

PR控制器的傳遞函數(shù)為：

(3)

準(zhǔn)PR控制器的傳遞函數(shù)為：

(4)

3.1 穩(wěn)態(tài)誤差分析

在不考慮電網(wǎng)擾動(dòng)的情況下，把PI控制器、PR控制器和準(zhǔn)PR控制器的傳遞函數(shù)畫在同一個(gè)波特圖上，如圖3所示。

從圖3可以看出，在基波頻率處，PR控制器的增益趨于無(wú)窮大，準(zhǔn)PR控制器也具有足夠大的增益，PI控制器的增益遠(yuǎn)小于PR控制器和準(zhǔn)PR控制器。因此PR控制和準(zhǔn)PR控制在基波頻率處無(wú)差控制上優(yōu)于PI控制。但是，從波特圖上可以看到在基波頻率附近PR控制器的增益會(huì)出現(xiàn)大幅度的下降，而準(zhǔn)PR控制器在基波頻率附近仍然可以保持足夠大的增益，因此可以看出準(zhǔn)PR控制器的控制性能比PR控制器性能更加優(yōu)越。

圖3 PI、PR、準(zhǔn)PR控制器的波特圖比較

3.2 抗電網(wǎng)干擾分析

不考慮系統(tǒng)的輸入，結(jié)合圖2可以得出系統(tǒng)擾動(dòng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(5)

將式(2)～(4)分別代入式(5)，即可得到三種控制器下，系統(tǒng)擾動(dòng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，將三個(gè)傳遞函數(shù)畫在同一波特圖中，如圖4所示。

從圖4可以看出，PI控制的閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)基波頻率處擾動(dòng)信號(hào)的衰減大約為40dB，而PR和準(zhǔn)PR控制的閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)該擾動(dòng)的衰減均大于60dB。所以PR和準(zhǔn)PR控制器在抗電網(wǎng)電壓干擾上比PI控制器優(yōu)越。在基波頻率附近，PR控制器對(duì)擾動(dòng)的衰減作用會(huì)大幅度下降，而準(zhǔn)PR控制器仍然可以保持較好的衰減作用，因此從抗電網(wǎng)電壓衰減方面可以看出準(zhǔn)PR控制器對(duì)擾動(dòng)衰減性能更優(yōu)越。

綜上所述，PR控制器和準(zhǔn)PR控制器在基波頻率處的無(wú)差控制和抗電網(wǎng)干擾方面比PI控制器更優(yōu)越。然而，在基波頻率附近，PR控制器的控制性能會(huì)急劇下降，而準(zhǔn)PR控制器仍然可以保持良好的控制性能。實(shí)際上，電網(wǎng)電壓的頻率是實(shí)時(shí)變化的，因此，準(zhǔn)PR控制器在并網(wǎng)電流控制中具有更好的控制效果。

圖4 PI、PR、準(zhǔn)PR控制系統(tǒng)擾動(dòng)的波特圖

4 準(zhǔn)PR控制器設(shè)計(jì)

準(zhǔn)PR控制器的傳遞函數(shù)如式(4)所示，從傳遞函數(shù)中可以看出，準(zhǔn)PR控制器的控制性能主要受Kp、KR、ωc三個(gè)參數(shù)的影響，為了更好的分析三個(gè)參數(shù)對(duì)控制器的影響，先設(shè)其中兩個(gè)參數(shù)不變，另一個(gè)變化，作出控制器的波特圖分析參數(shù)對(duì)控制性能的影響。

4.1 Kp=0,ωc=1,KR變化

當(dāng)KR取不同值時(shí)，準(zhǔn)PR控制器的波特圖如圖5所示。從圖可以看出，當(dāng)KR增大時(shí)，控制器的增益隨著參數(shù)的增大而增大，因此控制器峰值的峰值增益與KR值成正比。另外，可以看出控制器的帶寬保持不變。

圖5 KR變化時(shí)準(zhǔn)PR控制器波特圖

4.2 Kp=0,KR=1,ωc變化

當(dāng)ωc取不同值時(shí)，波特圖如圖6所示。由圖可知，ωc的變化會(huì)引起控制器的帶寬變化，與ωc成正比關(guān)系，同時(shí)ωc變化時(shí)控制器的增益也會(huì)發(fā)生變化，但是控制器的峰值增益保持不變。

4.3 KR=100,ωc=10,Kp變化

當(dāng)Kp取不同值時(shí)，波特圖如圖7所示。由圖可知，當(dāng)Kp值增大時(shí)，頻帶之外控制器的增益幅值也增大，但是基準(zhǔn)頻率處的幅值增加的幅度很小，說(shuō)明諧振環(huán)節(jié)的作用隨著Kp的增大會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖6 ωc變化時(shí)準(zhǔn)PR控制器波特圖

圖7 Kp變化時(shí)準(zhǔn)PR控制器波特圖

由上面分析可知，三個(gè)參數(shù)對(duì)準(zhǔn)PR控制器控制性能的影響。當(dāng)需要根據(jù)系統(tǒng)的控制要求設(shè)計(jì)一個(gè)合適的準(zhǔn)PR控制器時(shí)，可以結(jié)合具體的系統(tǒng)從上述三個(gè)角度來(lái)分析，使控制器的控制性能達(dá)到最優(yōu)。

5 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證準(zhǔn)PR控制算法在并網(wǎng)電流控制方面的優(yōu)越性，搭建了單相光伏并網(wǎng)逆變器的MATLAB/Simulink仿真模型，分別采用PI控制、PR控制、準(zhǔn)PR 控制，并對(duì)并網(wǎng)電流跟蹤效果及其諧波大小進(jìn)行對(duì)比分析。

在仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置電網(wǎng)電壓頻率在20ms由50Hz偏移到51Hz，分別得到PI、PR、準(zhǔn)PR控制下的并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓波形如圖8～10所示。

圖8采用的是PI控制器的仿真波形圖，從圖中可以看出在20ms之前并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓之間存在一定角度的相位誤差，并網(wǎng)電流滯后于電網(wǎng)電壓，其中并網(wǎng)電流的THD為1.65%，在20ms之后并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓之間的相位差增大，并網(wǎng)電流的THD也增大到4.56%。

圖9采用的是PR控制器的仿真波形圖，在20ms之前并網(wǎng)電流可以很好的跟蹤電網(wǎng)電壓，不存在相位誤差，其中并網(wǎng)電流的THD為1.32%。在20ms之后從圖中可以看出并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓之間出現(xiàn)相位誤差，并網(wǎng)電流不能很好的跟蹤電網(wǎng)電壓，此時(shí)并網(wǎng)電流的THD為1.74%。

圖10采用的是準(zhǔn)PR控制器的仿真波形圖，在20ms之前并網(wǎng)電流可以很好的跟蹤電網(wǎng)電壓，并網(wǎng)電路的THD為0.95%。在20ms電網(wǎng)電壓頻率發(fā)生偏移后經(jīng)過(guò)大約2ms的調(diào)整，并網(wǎng)電流就完全跟蹤上電網(wǎng)電壓，其中并網(wǎng)電流THD為1.12%。

圖8 PI控制下并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓

圖9 PR控制下并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓

圖10 準(zhǔn)PR控制下并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜合上述分析，搭建一臺(tái)額定功率為1kW的基于準(zhǔn)PR控制的單相并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。該樣機(jī)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：輸入側(cè)用調(diào)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)200～240V的電壓輸入；輸入電壓升壓后的電壓為Udc=400V；功率開關(guān)管選用富士IGBT模塊2MBI100SC-120耐壓1200V，最大電流100A，開關(guān)頻率fs=15kHz，輸出電壓Ugrid=220VAC±5%；輸出頻率fac=50Hz±5%；輸出濾波電感L=5mH。核心控制板采用TI公司的DSP，型號(hào)為TMS320F2812，設(shè)計(jì)要求輸出并網(wǎng)電流總THD<5%。

圖11中Ugrid表示電網(wǎng)電壓波形，iac表示逆變器的輸出電流波形，其中電流波形的THD值為3.35%，符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

圖11 準(zhǔn)PR控制下并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓實(shí)驗(yàn)波形

7 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)PI，PR，準(zhǔn)PR控制器控制性能進(jìn)行對(duì)比分析，論述了準(zhǔn)PR控制器在消除穩(wěn)態(tài)誤差和抗電網(wǎng)干擾方面可以很好的克服PI控制和PR控制器存在的缺點(diǎn)，詳細(xì)的介紹了準(zhǔn)PR控制器參數(shù)對(duì)控制性能的影響，通過(guò)搭建基于MATLAB/Simulink仿真模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了準(zhǔn)PR控制在并網(wǎng)電流控制方面的優(yōu)越性。最后實(shí)際搭建一臺(tái)1kW的基于準(zhǔn)PR控制單相并網(wǎng)逆變器的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

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ResearchonQuasi-PRControlleronSinglePhaseGrid-ConnectedInverter

WANGFei,WUJian-fang,WANGHong-bo

(Department of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)

A novel grid-connected inverter system with zero steady-state error is developed in this paper.The control principles of PI control，PR control and quasi-PR control were well specified in this paper.The simulative model of the grid-connected inverter system is built,simulated and analyzed in MATLAB/SIMULINK.By using quasi-PR controller,the single phase gird connected inverter achieves both zero-steady-state error and the good disturbance rejection capability.Finally，it built a 1kW grid-connected inverter system based on quasi-PR control and the theoretical analysis has been verified by experiments.

single-phase inverter；zero steady-state error；quasi-PR control

1004-289X(2017)03-0055-04

TM464

B

2016-03-04

王飛(1991-)，男，安徽廬江縣人，碩士研究生，研究方向電力電子技術(shù)；

吳健芳(1991-)，女，福建龍巖，碩士研究生，研究方向電力電子技術(shù)；

王紅波，男，江蘇徐州，碩士研究生，研究方向電力電子技術(shù)。