光伏微網(wǎng)逆變器的數(shù)字前饋PI控制方法

羅丹 廖志賢 蔣清紅 蔣品群

摘? 要：首先介紹光伏微網(wǎng)逆變器的電路模型及其工作原理，并對電路模型進行簡化分析，得到微網(wǎng)逆變器的信號矢量關(guān)系，然后通過數(shù)學分析，研究和探討了數(shù)字前饋PI控制方法的遞推算法，最后基于Matlab平臺建立其仿真模型，將數(shù)字前饋PI控制方法與滯環(huán)控制方法進行對比仿真研究。通過仿真，對兩種方法的控制誤差、總諧波失真度兩個指標進行考察，實驗結(jié)果表明，在控制誤差相同的情況下，光伏微網(wǎng)逆變器的數(shù)字前饋PI控制方法的總諧波失真度遠小于滯環(huán)控制方法，表明數(shù)字前饋PI控制方法具有更好的輸出電能質(zhì)量，性能表現(xiàn)更優(yōu)越。

關(guān)鍵詞：光伏;微網(wǎng);逆變器;數(shù)字前饋PI控制方法

中圖分類號：TM464? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）09-0124-02

Abstract： Firstly， the circuit model and working principle of photovoltaic microgrid inverter are introduced， and the circuit model is simplified and analyzed， and the signal vector relationship of microgrid inverter is obtained， and then through mathematical analysis， The recursive algorithm of digital feedforward PI control method is studied and discussed. finally， the simulation model is established based on Matlab platform， and the digital feedforward PI control method is compared with hysteresis control method. Through simulation， the control error and total harmonic distortion of the two methods are investigated. the experimental results show that when the control error is the same. The total harmonic distortion of the digital feedforward PI control method for photovoltaic microgrid inverter is much lower than that of the hysteresis control method， which indicates that the digital feedforward PI control method has better output power quality and better performance.

Keywords： photovoltaic; microgrid; inverter; digital feedforward PI control method

引言

光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的新型并網(wǎng)發(fā)電形式[1]，不僅在民用領(lǐng)域有非常巨大的應(yīng)用前景，也在軍用領(lǐng)域有著重要的戰(zhàn)略意義[2]。隨著新能源利用技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏微網(wǎng)逆變器的控制技術(shù)也在不斷發(fā)展，國內(nèi)外學者均對光伏微網(wǎng)逆變器展開研究，并且已經(jīng)取得了一定的研究成果。如，Chia-Chi Chu等學者利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法，對智能微網(wǎng)系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)建模和研究，發(fā)現(xiàn)智能微網(wǎng)系統(tǒng)具有小世界網(wǎng)絡(luò)特性[3];BASEEM KHAN等學者研究智能微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化問題，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和智能化;在光伏微網(wǎng)逆變器電路中，全橋電路是一種常見的電路拓撲[4，5]，在國內(nèi)外均有文獻報道。但當前光伏微網(wǎng)逆變器控制技術(shù)仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，如穩(wěn)定性、可靠性、電能質(zhì)量等問題，為此，本文研究基于數(shù)字前饋控制的光伏微網(wǎng)逆變器的控制方法，以期為光伏微網(wǎng)系統(tǒng)的工程設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 單相光伏微網(wǎng)逆變器工作原理

1.1 光伏微網(wǎng)逆變器電路原理分析

利用全橋電路設(shè)計的微網(wǎng)逆變器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，輸入部分由濾波電容和光伏電池陣列組成，DC/DC部分由交錯并聯(lián)正激變換器組成，DC/AC部分由全橋電路組成，輸出部分是耦合電感及電網(wǎng)。

圖1中的輸入部分在光伏電池輸出端并聯(lián)濾波電容，光伏電池兩端電壓紋波幅度被限制在一定范圍內(nèi)，以提高MPPT精度。兩個高頻正激式變壓器交錯并聯(lián)，構(gòu)成DC/DC變換器，為了研究電流跟蹤同步即DC/AC部分的控制，對于輸入部分光伏電池和DC/DC變換器，可以合起來看成一個電壓源。

1.2 單相光伏微網(wǎng)逆變器的簡化模型

對于光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，光伏微網(wǎng)逆變器的輸出電流質(zhì)量是一個重要的參數(shù)，其輸出電流應(yīng)是一個與電網(wǎng)電壓、頻率、相位同步的正弦波信號。光伏微網(wǎng)逆變器并網(wǎng)運行的簡化電路如圖2所示。uinv為逆變器輸出電壓，ug為公共電網(wǎng)電壓，RL為線路等效電阻，L為串聯(lián)的耦合電感，io為逆變器注入電網(wǎng)的電流。

2 基于數(shù)字化前饋PI控制同步方法設(shè)計

光伏微網(wǎng)逆變器的控制目的是使輸出電流以公共電網(wǎng)的電壓相位和頻率注入電網(wǎng)中。顯然地，控制電壓信號u與電網(wǎng)電壓ug具有很強的關(guān)聯(lián)性，因此電網(wǎng)電壓ug可以作為控制電壓信號u的成分之一?；跀?shù)字化前饋PI控制同步方法如圖3所示。

由圖3可知，控制電壓信號包含PI控制器的輸出和電網(wǎng)電壓的擾動信號兩部分。分析該結(jié)構(gòu)，可以看到，在PI控制項不存在時，電網(wǎng)擾動信號unet仍能使控制電壓信號u呈現(xiàn)接近正弦波輸出。在連續(xù)域中，上述基于PI控制器的電流跟蹤同步控制方法的改進結(jié)構(gòu)，其控制電壓信號輸出的表達式如下：

3 與電流滯環(huán)控制方法仿真結(jié)果比較分析

3.1 控制誤差比較

3.2 輸出電流諧波比較

4 結(jié)束語

通過對數(shù)字前饋PI控制進行分析和改進后，基于MATLAB平臺的simulink進行仿真實驗，并與滯環(huán)控制進行對比，發(fā)現(xiàn)：兩種方法的控制絕對誤差均在±1A，但數(shù)字前饋PI控制方法的輸出電流總諧波失真度為2.81%，滯環(huán)控制方法的輸出總諧波失真度為4.02%，即數(shù)字前饋PI控制的輸出電能質(zhì)量優(yōu)于滯環(huán)控制方法，可見，本文研究的數(shù)字前饋PI控制方法具有良好的控制性能，具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]Hosseinzadeh M， Salmasi FR. Fault-Tolerant Supervisory Controller for a Hybrid AC/DC Micro-Grid[J]. IEEE Transactions on Smart Grid， 2018，9（4）：2809-2823.

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[5]李新杰，杜少武，張勝，等.采用降損模式的單相SVPWM全橋逆變器[J].電力電子技術(shù)，2010，11.