微電網并網控制策略研究

江偉　李春陽　羅易　沈道軍　周承軍

摘 要：大電網與分布式電源相結合的形式又被電力專家公認為能夠節省能耗、提高電力系統可靠性和靈活性，是電力工業的發展方向。對此，研究分布式電源具有重要的價值。本文針對PI 控制存在基波頻率處增益小、控制效果差等不足，引入帶通式準 PR 控制器，并改進控制算法以改善控制效果，最后通過MATLAB仿真軟件對改進算法進行檢驗，驗證了算法的可行性與準確性。

關鍵詞：微電網；分布式電源；PR控制器

中圖分類號：TM61 文獻標識碼：A

1.并網控制分析

1.1并網控制目的和方式

通常認為在微電網并網過程中，為提高并網的質量，需要將逆變器輸出的電流變為高質量的正弦波，并讓該波的波形頻率和相位與網壓一致。而根據相關的標準，要求并網后電流產生的總諧波畸變率不能超過標準的5%。因此，對并網電流諧波進行控制是非常復雜的問題。而要解決這個問題，人們提出采逆變器對并網的電流或電壓的諧波進行調整和控制。當前，主流的逆變器可以分為電壓型和電流型兩種。具體的結果則如圖1所示。

1.2并網控制目標

對分布式電源的并網控制來講，其目標就是要讓逆變電路控制后的輸出與網壓頻率相同的正弦波。該控制過程可以等效為如圖2所示的電路圖。

在圖2中，U0表示逆變的輸出電壓；I0表示電感電流；Unet表示電網電壓；L主要起到濾波的作用。對逆變輸出控制來講，其就是要讓輸出電流與網壓同頻同相。而要達到上述的一致目標，就必須要保證逆變器交流側輸出超前電網電壓 90度，這恰好可以保證 IL 與 Unet 同頻同相。

2.逆變控制器建模

微電網的并網中，并網逆變器是核心。逆變器拓撲結構較多，合理選擇網絡拓撲結構，可合理改善并網系統的性能。目前，常見的逆變器結構包括半橋、全橋和帶中心抽頭變壓器3種。其中，全橋是應用比較廣泛的一種。為簡化研究，本文則選擇單相全橋逆變器，兵役電壓源輸入、電流源輸出的控制模式，具體的電路拓撲結構如圖3所示。

圖中，T1-T4為反并聯二極管的開關管，通過PWM控制方式，可使得T1、T4和T2、T3對電路進行交替導通，進而輸出正弦波電流igrid，Udc 表示直流輸出端的電壓大，RL表示串聯電路和電感 L的電阻和。

3.并網控制策略設計

3.1整體并網控制策略設計

對發電系統來講，其能量的高低主要取決于并網逆變器技術的好壞。而在對逆變進行控制的過程中，主要包含電壓電流雙閉環控制、滯環電流控制、重復控制、無差拍控制，重復+PI 控制以及模糊控制等控制策略。本文結合上述的研究，則以側電流作為控制輸出目標，采用電壓外環PI 控制和電流內環準 PR 控制結合的控制策略，從而得到如圖4所示的并網控制策略。

通過圖4看出，在該并網控制策略中，主要采取的思路是將參考電壓Uref和實際的電壓Udc的和放在PI控制器之中，進而得到參考電流信號iref；然后，將參考得到的iref經由數字鎖相電壓單元所檢測到的網壓電流信號同步，由此就可以得到實際與整體網壓的相角差，也就是所謂的正弦離散表值；再次將得到的該離散只與參考iref進行乘積，就可以得到在下一周期時候的電流值，該值是一個預測值，通常用iref*表示；最后將iref*與經過A/D轉換后得到的iout輸入到準PR控制器，那么就可以得到PWM占空比，進而通過驅動電路對開關管的動作，從而實現同頻同相的正弦波電流輸出。

3.2準PR算法改進

PI調節的原理可以看成是在坐標軸的左半平面內的極點，從而提高整體的阻尼零點，并減小誤差，進而提高穩定性。因此，其基波波頻率的增益可以定義為：

在公式（4）中可以看出，增大 Kp則可提高控制的精度，并加快系統的響應速度。但是，在此處不是一味地增大 Kp，如過大，則可能造成震蕩。同時，通過積分調節減小 Ki 的值，雖然可減小穩態誤差，但會降低系統的響應速度。

由此，根據上述的分析看出，傳統的PI控制器存在著典型的缺陷。而要解決上述的問題，本文則引入比例諧振控制器，該控制器的原理則是讓開環傳遞函數以sin或cos的形式對正弦信號的S域進行調節，從而得到其傳遞函數為：

4.仿真驗證

為驗證本文設計的上述控制策略的正確性，提出采用傳統的 MATLAB對逆變控制系統進行仿真。而在本研究中，設定系統頻率為50Hz，PI 控制器參數為KP=0.05，K1=0.2；準 PR 控制器參數為KP=0.05，KR=0.25；同時設定濾波電感的相關參數為：L=5mH，R=0.3Ω；整個電網的電壓取值為220V，開關的頻率大小設定為10kHz。由此，通過上述的仿真，可以得到如圖6所示的電壓電流波形。

從圖6能夠看出，無論是電流波形，還是電壓波形，其體現出來的波形都比較平順和光滑，由此可以說明本文提出的準PR控制策略具有很大的優勢，具有抗網壓干擾，并且減弱穩態誤差的作用，進而使得輸出電流與電網電壓相位一致。而通過該結果，也在一定程度上提高了并網的效率。

結語

對并網逆變輸出來講，其主要的目的就是要讓逆變輸出的電流與并網中的電流同頻和同相，這樣才能更好地達到并網的效果。對此，為實現該目標，本文則引入一種準PR控制方法，并通過仿真驗證了上述方法的可行性和準確性，對現代光伏能源具有一定的參考和借鑒作用。

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