基于準(zhǔn)比例諧振和比例積分復(fù)合控制并網(wǎng)逆變器研究

唐淵，姜文剛

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212000）

基于準(zhǔn)比例諧振和比例積分復(fù)合控制并網(wǎng)逆變器研究

唐淵，姜文剛

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212000）

基于準(zhǔn)PR控制的并網(wǎng)逆變器具有良好的準(zhǔn)確性和抗干擾性能，但是電網(wǎng)電壓存在的諧波會(huì)使并網(wǎng)電能質(zhì)量變差。為了改善并網(wǎng)電能質(zhì)量，采用基于準(zhǔn)PR控制和PI復(fù)合控制的并網(wǎng)逆變器，在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立了系統(tǒng)的仿真模型，仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：采用該控制的并網(wǎng)逆變器可以基本避免電網(wǎng)電壓諧波對(duì)并網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的同頻同相和并網(wǎng)電流的無(wú)靜差跟蹤，具有良好的控制效果。同時(shí)省去了對(duì)三相電容電流的檢測(cè)，很大程度上節(jié)約了成本。

微電網(wǎng)；并網(wǎng)逆變器；復(fù)合控制；諧波抑制

隨著新能源的發(fā)展逐漸成熟，逆變器技術(shù)成為新能源入網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。作為發(fā)電系統(tǒng)中與電網(wǎng)接口的設(shè)備，并網(wǎng)逆變器性能的優(yōu)劣直接決定了發(fā)電系統(tǒng)效率的高低，并網(wǎng)逆變器控制最終目標(biāo)是并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相位、同頻率，實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)做了大量研究，常用的控制方法有比例積分（PI）控制、滯環(huán)比較控制、無(wú)差拍控制、重復(fù)控制和比例諧振（PR）控制等。文獻(xiàn)[1]采用準(zhǔn)比例諧振積分控制和重復(fù)控制的復(fù)合控制方法，準(zhǔn)PR控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)基波正弦電流的無(wú)靜差跟蹤，重復(fù)控制器作為諧波補(bǔ)償器抑制電網(wǎng)低次諧波，具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，但重復(fù)控制較為復(fù)雜，也存在延時(shí)，動(dòng)態(tài)性能較差，難以達(dá)到理想控制效果。本文采用準(zhǔn)PR控制器和PI控制器復(fù)合控制，用準(zhǔn)PR控制器控制并網(wǎng)電流，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的同頻同相，同時(shí)用PI控制來(lái)抑制電網(wǎng)的諧波對(duì)并網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的無(wú)靜差跟蹤。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)中分布式電源多數(shù)是通過(guò)三相電壓型逆變器并入電網(wǎng)的，三相電壓型并網(wǎng)逆變器一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中Udc為直流電源，用其等效新能源中的光伏發(fā)電機(jī)或者風(fēng)力發(fā)電機(jī)，U2a，U2b，U2c為逆變器的輸出電壓（即為電容兩端電壓），L1i(i=a,b,c)為三相濾波電感（均為L(zhǎng)），R1i(i=a,b,c)為三相濾波電感等效電阻（均為R），uA，uB，uC為逆變器橋臂中點(diǎn)電壓，C為三相濾波電容，i2a，i2b，i2c為負(fù)載側(cè)三相輸出電流。本系統(tǒng)采用電壓源型逆變器，濾波電路采用LC濾波電路，雖然LCL濾波電路具有三階低通濾波特性，所用電感量較小，但其不足在于dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下存在嚴(yán)重耦合，增大了控制器設(shè)計(jì)難度，故本文濾波電路采用LC濾波電路。

圖1 三相并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型

三相電壓型逆變器在αβ靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程為:

2 PR控制和準(zhǔn)PR控制

PR控制最早由日本學(xué)者Sato等提出，基本思想是利用諧振環(huán)節(jié)在諧振頻率點(diǎn)提供的高增益實(shí)現(xiàn)對(duì)該頻率信號(hào)的無(wú)靜差控制。要想實(shí)現(xiàn)逆變電流的無(wú)靜差跟蹤，必須采用新的控制環(huán)節(jié)。諧振控制是基于內(nèi)模原理的一種控制方法:其思想是在控制器中加入無(wú)損諧振環(huán)節(jié)，使控制器在基波頻率處獲得較大的增益，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦參考電流的無(wú)靜差跟蹤，但其諧振帶寬較窄，在非基波頻率處的增益很小，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生偏移時(shí)，無(wú)法有效跟蹤參考電流。采用PR控制器的控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 PR控制結(jié)構(gòu)圖

PR控制器的傳遞函數(shù)為:

輸出電流的傳遞函數(shù)可以表示為:

由PI和PR控制的傳遞函數(shù)可以看出，實(shí)際上PR控制器只是在PI控制器傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上引入了兩個(gè)極點(diǎn)，控制器分別在這兩個(gè)極點(diǎn)頻率處發(fā)生諧振，且諧振處幅值增益比較大。本文采用準(zhǔn)PR控制器的傳遞函數(shù)為:

3 實(shí) 驗(yàn)

由前面章節(jié)得到了三相電壓源型逆變器在αβ兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。以此數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)展開(kāi)逆變器并網(wǎng)電流環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。并網(wǎng)逆變器在α軸和β軸下的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)完全相同，因此下面主要以α軸為例進(jìn)行電流環(huán)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 準(zhǔn)PR控制的電流雙閉環(huán)構(gòu)框圖

其中KPWM代表逆變器的等效增益，取KPWM=1，TPWM為考慮到SVPWM控制的采樣延遲和小慣性特性的時(shí)間常數(shù)，一般取值為開(kāi)關(guān)周期的一半，這里取開(kāi)關(guān)周期為10 kHz，逆變器的等效傳遞函數(shù)為為濾波電感的傳遞函數(shù)，其中R代表濾波電感的寄生電阻，C代表濾波電容，r代表等效電網(wǎng)線(xiàn)路總電阻，這里取TPWM=0.2 ms,L=4 mH,R=0.4 Ω,C=20 μF,r=3 500 Ω,GP(s)=58.16。

由前面章節(jié)可知準(zhǔn)PR控制器的傳遞函數(shù)為:

其中:Kp=0.62，Kr=4.038 5,ω0=100π =314 rad/s，ωc=10rad/s

獲得PR補(bǔ)償后的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:

1）當(dāng)電網(wǎng)在0.06秒加入5次諧波時(shí)，未加入PI控制器的并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓波形圖如圖5所示。

圖4 未加入PI控制的控制框圖

圖5 未加PI控制器的波形圖

下面采用文中設(shè)計(jì)PI控制器，PI控制器的傳遞函數(shù)為:

采用基于極點(diǎn)配置的方法并利用勞斯判據(jù)可以得出，在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下:

加入PI控制器后，并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓以及并網(wǎng)電流跟蹤基準(zhǔn)電流波形的波形圖如圖6，7所示。

圖6 加入PI控制并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的波形圖

圖7 加入PI控制并網(wǎng)電流跟蹤基準(zhǔn)電流波形

4 結(jié)論

文中在對(duì)比PI控制和PR控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合各自的特點(diǎn)，研究了一種基于準(zhǔn)PR和PI復(fù)合控制的控制策略，仿真結(jié)果證明基于兩相靜止坐標(biāo)系下的準(zhǔn)PR控制，可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的同頻同相，但是無(wú)法快速跟蹤并網(wǎng)電流基準(zhǔn)值，當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí)，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的同頻同相。所以本文采用PR和PI復(fù)合控制的控制策略，由仿真結(jié)果可以看出加入PI控制器后可以有效的抑制諧波對(duì)并網(wǎng)電流的影響，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的無(wú)靜差跟蹤，同時(shí)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的同頻同相，達(dá)到最佳的控制效果。

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Research on grid connected inverter based on quasi PR and PI compound control

TANG Yuan，JIANG Wen-gang
（Electronic Information College，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang212000，China）

The grid connected inverter based on quasi PR control has good accuracy and anti disturbance performance，But the harmonics of the grid voltage will cause the grid connected power quality to be poor.In order to improve the quality of grid connected power，the grid connected inverter based on quasi PR control and PI compound control is adopted in this paper，A Simulation model of the described system is established in the MATLAB/Simulink environment，the results of simulation experiments show that:the grid connected inverter with this control can basically restrain the influence of the grid voltage harmonics on the grid connected power quality，make the grid connected current with the same frequency and phase of the grid voltage and No static error tracking of grid connected current，It has good control effect.The detection of the capacitor current could be eliminated through using this strategy，and a large cost was saved.

micro grid；grid connected inverter；compound control；harmonic suppression

TN6

A

1674-6236（2017）23-0147-04

2016-10-11稿件編號(hào)：201610042

唐淵（1991—），男，江蘇句容人，碩士研究生。研究方向：微電網(wǎng)控制。

文獻(xiàn)[6]中的參數(shù)，在MTALAB/Simulink中搭建如圖4所示的基于PR控制的電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖，首先不妨令電網(wǎng)電壓的幅值為311 V，頻率50 Hz，并網(wǎng)電流幅值為10 A，頻率為50 Hz: