基于H6和QPR控制的新型光伏并網(wǎng)逆變器

欒 天， 任一峰， 安 坤， 郭 睿， 衛(wèi)芃毅

(中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，太原 030051)

引 言

單極性正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)下的全橋電路，擁有并網(wǎng)濾波電感小和直流電壓利用率高等優(yōu)勢，應(yīng)用較為廣泛，但是采用單極性的SPWM調(diào)制有高頻脈動的共模電壓，從而產(chǎn)生共模漏電流。本文設(shè)計了新型H6橋結(jié)構(gòu)，可以使得逆變器的共模電壓在各個工作階段保持恒定，從而抑制共模漏電流的產(chǎn)生。新型H6橋結(jié)構(gòu)在全橋電路的基礎(chǔ)上給兩個橋臂各加一個絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，并將兩個橋臂相連。這樣單橋臂上的兩個管子在工作時不能同時導(dǎo)通，起到改善輸出電流質(zhì)量的作用，基本做到消除共模漏電流[1]。

共模漏電流被抑制后，逆變器性能的主要影響因素就是入網(wǎng)電流控制。目前市場上普遍使用的PI控制，其結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛。但PI控制對交流給定信號無法實現(xiàn)無靜差跟蹤。文獻[2]中介紹的重復(fù)控制通過一個周期的延時來實現(xiàn)，使得控制器的動態(tài)響應(yīng)變慢；文獻[3]中介紹的模糊PID控制可以實現(xiàn)較好的魯棒性，但是由于控制算法實現(xiàn)的功能不同，存在差異大并且算法復(fù)雜等缺點；文獻[4]中介紹了4種設(shè)計方案的PI控制，各自都有優(yōu)點，但是不能消除PI控制抗干擾性差的問題。文獻[5]中介紹的無差拍控制可以基本實現(xiàn)并網(wǎng)，但是此控制方式對數(shù)學(xué)模型要求較高，系統(tǒng)魯棒性優(yōu)化較難。本文設(shè)計在比例諧振(Proportional Resonance，PR)控制的基礎(chǔ)上，提出對PR控制改進成準(zhǔn)比例諧振(Quasi Proportional Resonance，QPR)控制，對于改進后的QPR控制，其不僅涵蓋了PR控制的優(yōu)點，并且提高了電網(wǎng)電壓的抗擾動能力。

1 H6橋光伏并網(wǎng)逆變器

單相H6橋結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中:C1為直流側(cè)母線電容;Ug為電網(wǎng)電壓;LA、LB為濾波電感;C0為濾波電容。由圖1可知，較文獻[6]中介紹的目前市場上普遍使用的H6拓撲結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計的光伏逆變器拓撲H6電路的結(jié)構(gòu)將兩個二極管移除，并在控制策略上進行完善，使其能夠有效消除共模漏電流[7]，處理無功功率。

圖1 H6逆變橋主電路結(jié)構(gòu)

H6逆變器各功率管驅(qū)動波形如圖2所示。

采用單極性調(diào)制方式，在一個完整的工作周期中，逆變器共有6種工作狀態(tài):①在正半周期時，S6一直處于開通狀態(tài)，IGBT管S1和S4通過觸發(fā)信號同時開通，其余管關(guān)斷，輸出電流流過S1、濾波電感電容、電網(wǎng)、S6和S4。則UAN=UPV，UBN=0，共模電壓UCM=(UAN+UBN)/2=0.5UPV。②S1和S4關(guān)斷，電流通過S5的反并聯(lián)二極管、濾波電感、濾波電容、電網(wǎng)、S6，則UAN減小UBN增加直到二者量值完全相等，因此UAN=UBN=UPV/2，共模電壓UCM=(UAN+UBN)/2=0.5UPV。③在正半周期的負功率階段，S2、S3和S5導(dǎo)通，電流通過S2、S3和S5的反并聯(lián)二極管后減小，則UAN=0，UBN=UPV，共模電壓為UCM=(UAN+UBN)/2=0.5UPV。④在負半周期內(nèi)的正功率段，IGBT管S2、S3和S5導(dǎo)通，S6關(guān)斷。電感的電流逆向增加，則UAN=0，UBN=UPV，共模電壓UCM=(UAN+UBN)/2=0.5UPV。⑤S5和S6導(dǎo)通，S2和S3截止，電流通過S6的反并聯(lián)二極管、濾波電感、濾波電容、電網(wǎng)和S5后減小，UAN增加UBN減小直到二者量值完全相等，因此UAN=UBN=UPV/2，共模電壓UCM=(UAN+UBN)/2=0.5UPV。⑥在負半周期內(nèi)的負功率階段，IGBT管S1、S4和S6導(dǎo)通，電流通過S1、S4和S6的反并聯(lián)二極管后減小，則UAN=UPV，UBN=0，共模電壓UCM=(UAN+UBN)/2=0.5UPV。

圖2 H6逆變驅(qū)動波形

UPV為直流母線電壓，UAN為A點對地點的電壓，UBN為B點對地點的電壓。此6開關(guān)結(jié)構(gòu)逆變器在6種工作狀態(tài)運行時，共模電壓均為UCM=(UAN+UBN)/2=0.5UPV，基本保持不變，因此可以有效抑制共模漏電流。

2 并網(wǎng)控制模型建立

2.1 逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雙環(huán)控制方案

H6結(jié)構(gòu)雙環(huán)控制框圖如圖3所示。

圖3 H6結(jié)構(gòu)雙環(huán)控制框圖

光伏并網(wǎng)逆變器采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)實現(xiàn)直流母線電壓控制，將給定的直流母線電壓與設(shè)定電壓350 V進行比較，差值經(jīng)控制器調(diào)節(jié)后輸出給定電流的幅值Iref。通過鎖相環(huán)實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓相位與頻率的捕獲，得到給定電流iref；內(nèi)環(huán)主要實現(xiàn)的是將并網(wǎng)電流i和給定電流iref的差值經(jīng)過控制器得以調(diào)節(jié)，將所得的波形與三角波比較后用于產(chǎn)生SPWM波。SPWM信號放大后經(jīng)過功率管，作用于H6橋逆變器開關(guān)管，經(jīng)過濾波電路并入電網(wǎng)[8]。

2.2 電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計

PR控制即將一個無損諧振環(huán)節(jié)加入調(diào)節(jié)器中，從而使得控制器在諧振頻率處可以有無窮大的增益，通過這一方法消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。本系統(tǒng)的諧振頻率為50 Hz，PR控制的傳遞函數(shù)[9]為：

(1)

PR控制在理論上可以完全抑制電網(wǎng)電壓對輸出并網(wǎng)電流的影響，但在實際工程中，電網(wǎng)電壓的頻率不是穩(wěn)定不變的，在電網(wǎng)電壓產(chǎn)生誤差和偏移時，PR控制器的性能則會大幅降低，此算法就無法完成快速精確的追蹤，需要對其進行改進，降低在諧振頻率處的敏感度和高增益特性，以利于系統(tǒng)的實現(xiàn)?？蓪R改進為QPR控制，其傳遞函數(shù)[9]為：

(2)

式中:KP為QPR控制器的比例系數(shù);KR為諧振系數(shù);ω0為基波頻率;ωc為截止頻率。

為保證電網(wǎng)頻率波動時QPR控制器有足夠大的增益，假設(shè)允許波動范圍為50±0.5 Hz，即帶寬d=2×0.5=1(Hz)，取ωc=π×d=3.14(rad/s)，同時取KP=2.5，KR=50，ω0=314 rad/s，繪制QPR控制器的Bode圖如圖4所示。

圖4 QPR控制器的伯德圖

2.3 QPR控制算法

基于QPR控制并考慮電網(wǎng)電壓擾動的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 基于QPR控制和電網(wǎng)電壓干擾下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖5所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，運用齊次定理，并比較式(2)可知：

(3)

由式(3)可得，QPR控制器在基波頻率ω0處的幅頻特性為：

AQPR(ω0)=KP+KR

(4)

根據(jù)式(4)可知控制增益為有限值，相比于PI和PR控制在基波頻率ω0處的增益，QPR控制器在基波頻率處的增益有適當(dāng)?shù)脑黾覽10]，抑制穩(wěn)態(tài)誤差的能力明顯提升。

選取PI控制器、PR控制器、QPR控制器的各參數(shù)為KP=2.5，KI=KR=50，ωc=3.14 rad/s，ω0=314 rad/s，將3種控制器的傳遞函數(shù)繪制在同一Bode圖中，如圖6所示。

圖6 三種控制器的伯德圖

由圖6可知，在基波頻率左側(cè)的低頻段，PR(實線)和QPR(虛線)控制在抑制電網(wǎng)電壓的干擾信號效果上基本相同，PI(點劃線)控制在這一階段對干擾信號的抑制性能明顯高于PR和QPR控制；在基波頻率右側(cè)的高頻段可以看出3種控制方式對電網(wǎng)電壓干擾信號的抑制效果基本一致[11]；在基波頻率處，PR控制對閉環(huán)擾動的衰減增益可以達到80 dB，其衰減電網(wǎng)電壓的干擾信號能力最強；準(zhǔn)PR控制的閉環(huán)擾動衰減增益約為35 dB，PI控制相較QPR控制更低，因此就基波頻率處擾動信號衰減增益相比較，PR控制和QPR控制都具有顯著的優(yōu)勢。但是對QPR控制器而言，其犧牲了部分基波頻率處的增益，換取了相比PR控制器更寬的帶寬[12]，即如果在基波頻率處發(fā)生了偏移，增益也可以相對保持穩(wěn)定?？偟脕碚f，QPR控制在抗電網(wǎng)電壓干擾上相比于PI、PR控制效果更佳。

設(shè)計穩(wěn)定性和抗干擾性最佳的QPR控制器即要設(shè)計其各項參數(shù)：ωc的選擇取決于電網(wǎng)頻率允許的波動帶寬[13]；KP的選擇取決于控制器對于比例增益和諧波阻抗的要求；KR的選擇取決于控制器對基波頻率出的增益要求。

3 仿真結(jié)果及分析

上述對QPR控制的研究，為了驗證其能實現(xiàn)對電網(wǎng)電流的無靜差跟蹤，設(shè)計相關(guān)參數(shù)：逆變器增益K=400，比例系數(shù)KP=2.5，積分系數(shù)KI=100，諧振系數(shù)KR=50，截止頻率ωc=3.14 rad/s。在Matlab/Simulink平臺搭建了基于H6逆變橋的QPR控制仿真模型[14]，運行得到結(jié)果，如圖7所示的H6逆變橋輸出并網(wǎng)電流波形。

圖7 輸出并網(wǎng)電流波形

對基于QPR控制的輸出電流進行FFT分析，分析結(jié)果如圖8所示，得到總諧波畸變率(THD)為2.16%。

圖8 基于QPR控制的輸出電流FFT分析

QPR控制能夠?qū)崿F(xiàn)對電網(wǎng)電流的無靜差跟蹤，輸出電能質(zhì)量高；在電網(wǎng)頻率發(fā)生小幅變化時，與PI控制、PR控制相比，QPR控制帶寬更大，可以很好地適應(yīng)電網(wǎng)頻率的偏移。仿真結(jié)果與上述理論分析一致。

4 結(jié) 語

本文通過對新型H6結(jié)構(gòu)逆變器設(shè)計了QPR控制策略，并對新的控制策略在H6結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行了仿真，仿真結(jié)果證明：在基波頻率附近，電網(wǎng)頻率發(fā)生小偏移時，QPR控制可以保持足夠大的衰減增益，擁有很強的抗干擾性。結(jié)合H6結(jié)構(gòu)，有效的減小了并網(wǎng)電流的THD，消除了共模漏電流，提高了并網(wǎng)的質(zhì)量。