基于重復和PI復合控制的光伏并網逆變器研究*

鄭　宏,蔣　超,蔣麗琴,申興宇

(江蘇大學電氣信息工程學院,江蘇 鎮江 212013)

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基于重復和PI復合控制的光伏并網逆變器研究*

鄭宏*,蔣超,蔣麗琴,申興宇

(江蘇大學電氣信息工程學院,江蘇 鎮江 212013)

摘要:并網逆變器的控制策略是光伏逆變器各個控制模塊中最重要的環節,如何使得逆變器輸出電流很好地跟蹤電網電壓,實現同頻同相,輸出波形質量更高是逆變器控制的關鍵。針對以上問題,對重復控制原理進行了深入的分析,設計PI閉環控制、重復控制以及重復和PI復合控制這3種控制方法對周期性擾動進行調節,并在MATLAB/Simulink環境中進行了仿真,取得良好的并網逆變控制效果。仿真結果充分地說明了重復和PI復合控制對周期性擾動有更好的抑制作用。

關鍵詞:并網逆變器;重復控制;PI控制;復合控制

隨著社會的發展,科技的進步,人類所消耗的資源越來越多,全球能源危機和環境污染問題的日益嚴重。太陽能以清潔、實用、易于大規模開發利用等優點越來越受到大家重視[1]。

對于光伏并網逆變器的研究也越來越受到關注,而控制策略是逆變器最核心的技術[2-3]。傳統的PI控制雖然能夠提高系統的響應速度,在一定程度上保證輸出電流的穩定[4],但當光伏系統受非線性負載和外部環境擾動的影響時,系統輸出電流波形質量就變得較差[5-7]。而基于內模原理的重復控制技術可以有效地抑制周期性干擾,增強系統穩定性,提高波形質量[8],但重復控制也存在動態響應慢的缺點。針對光伏系統易受周期性擾動影響的特點,本文提出采用重復控制和PI控制復合控制的方法,吸取兩者的優點,使系統獲得良好的動態性能和穩態精度,降低了諧波含量。

1　重復控制原理

重復控制是基于內模原理的一種控制思想。它的內模數學模型描述的是周期性信號,因而使得閉環控制系統能夠無靜差地跟蹤周期信號[9]。單一頻率的正弦波是典型的周期信號,它的數學模型為

(1)

只要在控制器前向通道串聯一個與輸入同頻率的正弦信號,就可以實現系統的無靜差跟蹤。重復控制也多用數字控制方式。離散后的重復控制內模為

(2)

式中N為一個周期的采樣次數;一般逆變器重復控制系統示意圖如圖1所示。

圖1　重復控制原理圖

圖2　重復和PI復合控制的示意圖

2　重復和PI復合控制器參數設計

2.1內模分析

重復控制來源于內模原理,是它的一個特殊應用。將周期性的輸入信號發生器引入到閉環控制系統中,以實現在穩態下輸出量能無靜差地跟蹤輸入信號的控制目標。離散逆變系統的內模如圖1中虛線部分所示:

(3)

式中:為每個基波周期內的采樣次數,如果系統的采樣頻率為fs,基波頻率為f,那么N的計算方法為N=fs/f;Q(z)為略小于1的常數或一階低通濾波器。在該內模中,前向通道上串聯的z-N是一個周期延遲環節,可以使當前周期的誤差信號。在下一周期起作用,但其延遲作用也影響了系統的快速性。引入帶限濾波器Q(z)的目的是提高系統的穩定性。在理想內模條件下,Q(z)=1。此時系統可以對輸入信號進行理想的無靜差跟蹤。但這種情況下系統處于臨界穩定狀態,不符合穩定性要求。所以一般設Q(z)為略小于1的常數或一階低通濾波器,以犧牲系統一定的跟蹤精度來保證穩態裕度。本文取Q(z)=0.9。

2.2補償器設計

為了提高整個系統的性能,需要針對被控對象設置重復控制器的補償器。見圖2,補償器C(z)=krzkS1(z)S2(z),式中,kr為重復控制器輸出控制量增益系數,其值越大穩態誤差越小,但系統穩態裕度也越小;其值越小系統越穩定,而穩態誤差越大。通常取kr=1。S(z)是針對被控對象平P(z)進行設計的。系統原理圖見圖3,本文中濾波電感Lf=47mH,電感寄生電阻RL=0.9Ω,濾波電容Cf=20μF,電容寄生電阻RC=0.02Ω,直流側電壓Udc=400V,電網交流電壓幅值ek=220V,由此可以得出被控對象的傳遞函數:

(4)

圖3　系統原理圖

經零階保持器法Z變換后得到:

(5)

其波特圖見圖4,可以看出逆變器的對數幅頻特性在ω=5 200rad/s處具有一個諧振峰;并且在中低頻段相移特別小,幾乎為零。

圖4　P(z)的波特圖

由于死區效應和非線性負載引起的諧波主要集中在中低頻段,高頻部分含量很小;根據離散系統的穩定條件希望得到的S(z)P(z)的波特圖在中低頻段應為零相移,零增益,高頻段應為急劇衰減,相移盡量為零。因此補償器的主要任務是:抵消逆變器模型伯德圖中的諧振峰,使得高頻段幅值急劇衰減,同時保證零相移。

2.2.1二階濾波器C1(z)的設計

C1(z)的作用是提供高頻衰減而不是減小諧振峰,故其截止頻率可以設的較大。本設計中其截止頻率取為逆變器的截止頻率即ωn=5 200rad/s,同時防止其自身再次諧振,阻尼比需要大于0.707,本文取為1.6。這樣可以得到

(6)

經零階保持器法Z變換得到:

(7)

其波特圖如圖5所示。

圖5　C1(z)的波特圖

2.2.2零相移FIR濾波器C2(z)的設計

零相移FIR濾波器的幅頻特性是:在逆變器截止頻率之前沒有明顯的降低,在截止頻率之后增益的下降斜率迅速增大。這樣就克服了單純用低通濾波器進行補償的缺點,在逆變器的截止頻率處會有足夠的負增益抵消諧振峰。它的一般表達式為[24]:

(8)

結合P(z)的頻率響應特性,文中設計為:

(9)

其波特圖如圖6所示。

圖6　C2(z)的波特圖

2.2.3Zk超前環節和調整系數

超前環節是用來補償被控對象和補償器所引起的總相位滯后,本設計中設k=6。調整系數用以改善系統性能,一般取為一個不大于 1 但接近于 1 的正常數,本設計中取為 0.9。超前環節的波特圖如7圖所示,可看出其相位超前幾乎完全補償被控對象以及濾波器所引起的相位滯后。

圖7　Z6的波特圖

3　MATLAB/Simulink仿真研究

根據系統參數,見表1。系統采用倍頻SPWM調制方法,給定信號為50 Hz正弦波,系統中的周期性干擾即為逆變器死區效應及非線性器件所引起的諧波。

表1　仿真試驗參數

圖8～圖10分別為采用PI、重復控制以及重復和PI復合控制3種方法的輸出電流波形;圖11～圖13為在這3種方法控制下輸出電流的諧波分析圖。

圖8　采用PI控制方法的輸出電流與電網電壓波形

圖9　采用重復控制方法的輸出電流與電網電壓波形

圖10　采用復合重復控制方法的輸出電流與電網電壓波形

圖11　采用PI控制方法的輸出電流波形的諧波分析圖

圖12　采用重復控制方法的輸出電流波形的諧波分析圖

圖13　采用復合控制方法的輸出電流波形的諧波分析圖

4　結論

本文對PI閉環控制、重復控制以及重復和PI復合控制這3種控制方法進行了仿真,針對周期性擾動3種方法都較好的實現了輸出電流與電網電壓同頻同相,在PI閉環控制下的輸出電流動態響應快,但波形THD達3.82%;在重復控制下的輸出電流動態響應滯后,但穩態精度較高,波形質量較好,THD為3.24%;在重復和PI復合控制下的輸出電流不僅動態響應快,波形質量也高,THD為2.54%。3種方法的仿真比較得出,對于周期性擾動,PI閉環控制和重復控制各有優缺,結合二者優點,重復和PI復合控制是更為理想的控制方法。

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[9]劉飛,鄒云屏,李輝.基于重復控制的電壓源型逆變器輸出電流波形控制方法[J].中國電機工程學報,2005,25(19):58-63.

鄭宏(1965-),男,漢族,教授,博士,碩士生導師,主要研究方向為大功率電力電子變換器,分布式發電;

蔣超(1989-),男,漢族,碩士研究生,電力電子與電力傳動專業,主要研究方向為大功率電力電子變換器,光伏并網逆變器,jiangchao971@163.com。

ResearchonPhotovoltaicGrid-ConnectedInverterBasedonRepetitiveandPIControl*

ZHENGHong*,JIANGChao,JIANGLiqin,SHENGXingyu

(College of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Jiang 212013,China)

Abstract:Grid-connected inverter control strategy is the most important link in the photovoltaic inverter control module,and how to make the output current of the inverter to track the grid voltage to achieve the same frequency and the same phase and improve the quality of the output waveform is the key of the inverter control.To solve the problem,deep analysis of Repetitive control principle is made,and three control methods which are PIclosed-loop control,repetitive control and repeat and PIcomposite control are designed to adjust the periodic disturbance.And simulation in MATLAB/Simulink environment is made.It achieves good grid inverter control effect.The simulation fully results that repeat and PIcomposite control has better inhibition to the periodic disturbance.

Key words:grid-connected inverter;repetitive control;PI control;composite control

doi:EEACC:8360;825010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.039

中圖分類號:TM464

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0983-04

收稿日期:2013-09-08修改日期:2013-09-28

項目來源:江蘇高校優勢學科建設工程項目;國家自然科學基金項目(61074019)