新能源并網控制技術研究

國網舟山供電公司 盧正通 李世強 吳穎君 孫 璐 彭維龍

引言

隨著新能源技術應用越來越廣泛，新能源并網能否被高效利用成為了關注的焦點，因此研究并網控制技術對提高電網波形質量具有實際意義。逆變器是整個并網系統的核心器件，逆變器并網控制技術直接影響系統的供電品質[1]。目前比較流行的控制方法有PI控制、模糊控制等，但因PI控制無法實現無靜差跟蹤，一直以來得不到很好的效果。本文由PI控制的局限性，提出基于重復控制理論的復合控制法，通過對復合控制進行分析和論證，驗證復合控制的有效性。

1.逆變器數學模型

為了便于分析，這里以單相逆變器電路進行工作特性分析。

圖1 單相電壓型逆變電路

圖1是單相逆變電路結構，逆變輸出電壓為Ui，Ui經過負載濾波LC電路產生輸出電壓U0，U0同時也是負載R0的端電壓，Rc是輸出電容的寄生電阻，R0為阻性負載。

根據KVL和KCL定律，求得逆變器輸出傳遞函數：

由圖1可知，逆變器自身屬于非線性電路，逆變器含有較大的輸出阻抗，輸出阻抗的存在會使并網電壓產生畸變，非線性電路也使逆變系統并網電流產生諧波，使輸出電流產生一系列尖峰脈沖[3]。

2.逆變器PI控制系統性能分析

電壓型逆變器結構是為了理想的并網電流，其中PI控制是逆變器控制策略最常用的，以下是三相逆變器并網在雙閉環PI控制下的系統性能分析[2]，三相電壓在dq坐標系下的關系式為：

為了實現并網單位功率因數，一般令iq*=0，這樣在逆變控制電路中就轉化為只要控制好id*就行,這里把電網電壓在d軸等效電壓ed看成恒值干擾。

電流比例積分調節雖然可以改善系統的穩態性能，積分環節能提高低頻(50Hz頻段)的增益，但逆變系統出現負載突變時，這一積分環節的補償效果并不明顯，因此PI調節不能消除系統的穩態誤差。

3.基于重復控制理論的復合控制器設計

重復控制采用的是內膜原理[3]，內模的作用是將系統外部信號的動力學模型植入控制器，這一反饋控制系統具有良好的跟蹤能力和有效消除擾動的能力，同時實現控制過程零誤差跟蹤。而根據擾動的周期性規律[7]，重復控制在逆變系統的應用源于并網輸出諧波信號也是隨著電網單周期成倍數周期出現，即諧波信號在每個基波周期內均相同。經離散后的內模為：

T為系統采樣周期，T0為電網電壓基波周期，f0=50Hz，N為基波周期采樣數。以下是重復控制系統結構圖2。由于重復控制有單周期延時的特性，一般采用重復控制的改進結構，將重復控制與PI控制結合構成復合控制，以下是復合控制系統結構圖2。

重復控制系統結構，r(z)是輸入給定電壓信號，y(z)實際輸出電壓信號，e(z)是輸入輸出誤差信號，z-N是內模環節后的周期延遲環節，C(z)為重復控制環路補償器，P(z)為逆變器傳遞函數，d(z)為周期干擾信號。內模的作用是將周期誤差信號進行累加積分，當下一周期信號到來時依然保留上一誤差信號，誤差信號很小或為0的情況下輸出依然很好的跟隨輸入參考信號。

如圖2所示，圖中在重復控制的基礎上把PI控制并聯在重復控制的外環。因為PI控制與重復控制在控制時間上是獨立工作的，所以重復控制與PI控制的結合使系統實現無靜差跟蹤，對干擾信號很好的抑制，系統又有很好的動態響應[4]。

圖2 單相逆變器復合控制系統結構圖

4.重復控制結構參數設計

為了更好的體現重復控制的優越性能，以下參數設計在逆變器空載下進行，逆變器在空載運行時諧波畸變最大，阻尼最小。采樣頻率都為10kHz，逆變器輸出電容C為200μF，電感L為1mH，等效阻感為1Ω，系統諧振頻率為ωn=6742.2rad/s，阻尼比ξ=0.0405。

所以逆變系統空載傳遞函數：

從（8）可知被控對象含有高頻諧振尖峰,并且被控對象也有一定的相位滯后。

由被控對象的特點，這里采用模型對消法[5],為此設計了補償環節C(z)=KrzkS2(z)S1(z), 在重復控制中，由于死區效應和非線性負載引起的諧波主要是中低頻的，所以設計輸出Ur幅值補償增益接近1，這里取Kr=1。S2(z)為陷波濾波器，用來抵消被控對象的諧振尖峰。S1(z)為低通濾波器，用于衰減濾除諧振尖峰后的高頻諧波信號。zk.為相位超前環節，由濾波器S1和空載被控對象P都有一定的相位滯后，正好補償了其相位滯后。

陷波濾波器的一般表達式為：

因為z=ejωT=ejθ，所以：

當S(θ)=0，此時的該陷波器對特定頻率有最強的衰減[13]。可得：2cosmθ+a=0，當且僅當a=2滿足條件，此時mθ=π，θ=ωT，所以m=π/θ=3.58，這里取m=4，得到此時的陷波濾波器為：

以下是低通濾波器S1(z)設計，二階低通濾波器的模型為：

根據本系統的參數代入可得：

由以上分析可知，二階低通濾波器S1和空載被控對象P都有一定的相位滯后，為了保持系統穩定，這里設計相位超前環節zk.。經研究可知，當k為4到5之間可得最佳補償效果，本文超前節拍k取5，即zk=z5。

5.系統復合控制仿真分析

三相逆變復合控制系統如圖3所示，直流側參考電壓Udc*=660V，電網電壓為380V，濾波電感電容L=1.5mH，C=200μF，逆變輸出等效電阻R=1Ω，電流環PI控制參數為Kp=5，Ki=66，電壓環PI參數為Kp=2.1，Ki=1000。開關頻率f =10kHz，重復控制模塊參數與上述一致。

圖3 三相逆變系統復合控制仿真結構圖

（1）非線性負載在雙閉環PI控制和復合控制下的系統仿真結果。電壓單位為V，電流單位A。

圖4 并網電壓電流波形

圖4為并網電壓電流波形，電流1為復合控制下并網電流，電流2為PI控制下的并網電流。經計算在相同非線性負載條件下，并網電流諧波畸變率PI控制下為6.83%，復合控制下為4.31%。

（2）圖5是復合控制在電網電壓波動情況下的并網仿真。

圖5仿真結果表明：在相同的非線性負載下，復合控制將并網諧波畸變率由6.83%降到4.31%。電網電壓在0.02s至0.03s和0.06s至0.07s之間升高跌落各20%情況下，兩次波動時間都為0.01s，并網電流基本保持穩定，沒有發生明顯的波動。

圖5 復合控制下并網電壓電流波形

6.總結

本文提出的基于重復控制理論的復合控制策略，通過分析和論證，該控制策略能有效降低并網電流諧波畸變率，對負載波動信號能有效的抑制，提高了系統的穩態精度，為并網控制技術的改進提供參考。

[1]康勇,詹長江,彭力.三相SPWM逆變電源重復控制技術的研究[J].電力電子技術,1997(02):12-13.

[2]張凱,彭力,熊健.基于狀態反饋與重復控制的逆變器控制技術[J].中國電機工程學報,2006(10):78-79.

[3]齊東流,李多山,肖本賢.基于重復控制與電壓雙閉環控制的逆變器設計[J].通信電源技術,2009(03):87-89.

[4]李鑫,姚勇濤,張逸成,韋莉.采用電容電流內環的逆變器雙閉環控制研究[J].電氣傳動,2008(02):45-49.

[5]任軍輝等.1100kV直流輸電工程直流濾波器方案研究[J].高壓電器,2013(03):67-68.