1、三相光伏并網(wǎng)逆變器電流控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)竇偉徐正國彭燕昌李晶許洪華 （中國科學(xué)院電工研究所北京100080）摘要 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器通常用來將高質(zhì)量的電能饋入電網(wǎng)。但 是由于死區(qū)控制、電網(wǎng)擾動等因素的影響，逆變器饋入電網(wǎng)的電流中含有大量 諧波成分。由于帶寬的限制，單純的比例積分控制器不能有效地抑制諧波。因 此本文提出了一種由比例積分控制器（PI）和重復(fù)控制器（RC）并聯(lián)構(gòu)成的 復(fù)合控制器以提高系統(tǒng)的諧波電流抑制能力。本文建立了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的 逆變器動態(tài)模型并給出了控制器設(shè)計(jì)方法。理論分析以及一臺20kW逆變器 樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提控制策略的可行性。關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)逆變器PI控制重

2、復(fù)控制中圖分類號：TM615； TM6441、簡介作為一種新型發(fā)電方式，光伏發(fā)電系統(tǒng)正在迅速的成長。在這個(gè)系統(tǒng)中，三 相并網(wǎng)逆變器即圖1所示，通常是用于電源轉(zhuǎn)換和電網(wǎng)的連接1。在光伏系統(tǒng) 中，通常使用逆變器將電能饋入電網(wǎng)。然后饋入電網(wǎng)電能的質(zhì)量主要取決于逆變 器的輸出電流。然而，許多因素都會影響逆變器的輸出電流：開關(guān)死區(qū)2 的影 響，直流環(huán)節(jié)電壓波動的影響以及電網(wǎng)擾動等。為了滿足高質(zhì)量電流的需求，無源濾波器是消除諧波的一個(gè)好方法。無源濾 波器將會增加諧波的阻抗，因此，它可以有效地消除諧波成分。但是，有這樣的 無源濾波器有很多缺點(diǎn)，例如其衰減是有限的，動態(tài)響應(yīng)慢，規(guī)模大，成本高。與無源濾波器相比

3、，使用控制方法是一個(gè)消除諧波的更好選擇3-4。通過良 好的設(shè)計(jì)，優(yōu)良的衰減和快速的動態(tài)響應(yīng)是可以實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，所采用的控制方 法也增加了成本。為了提高并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定跟蹤精度，提出了一種將PI控制器和重復(fù)控制 器相并聯(lián)的復(fù)合電流控制方案。PI控制器用來確保逆變器響應(yīng)能力而重復(fù)控制 器是用來消除輸出電流諧波的，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。理論分析以及一臺 20kW 逆變器樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提控制策略的可行性。2、系統(tǒng)建模一個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中L是濾波器電感，R是等效串聯(lián)電阻（該輸電線路的總電感為L）。根據(jù)并網(wǎng)逆變器中脈寬調(diào)制的基本原則，在每個(gè)橋臂中間點(diǎn)（a, b, c）

4、的 電壓可以被看作是一個(gè)可控電壓源，其幅度和頻率是由控制策略決定的。因此， 并網(wǎng)逆變器的輸出電流完全取決于PWM電壓的控制，電壓的共同耦合點(diǎn)和電 感的連接點(diǎn)由電網(wǎng)指定。電壓和電流的方向如圖1所示，我們可以得到基于KVL定律的固定電路結(jié) 構(gòu)下的輸出電流的微分方程，如公式（1）。Vf是PWM正序基波電壓*水是電網(wǎng)正序基波電壓；七是輸出電流；匕是諧波電壓 源，其中包括PWM電壓和電網(wǎng)電壓的諧波電壓。通過正序同步旋轉(zhuǎn)變換，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中公式（1）可以表示為如下的公 式，其中3為基波角頻率，下標(biāo)d、q則表示同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸和q軸。坐標(biāo)變換后，基波正序分量的基本方程如公式（2），e , V是直流

5、量， 基波負(fù)相序或其他諧波分量，仍然可以用不同角頻率得到變量。例如，在變換 器的交流側(cè)第五次與第七次諧波分量將成為第六次諧波分量。3、電流控制策略為了補(bǔ)償電網(wǎng)電流，應(yīng)該使用電流控制策略。到目前為止，在同行業(yè)中最 常用的算法仍然是pi控制。尤其是在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的pi電流控制，是三 相并網(wǎng)電壓源逆變器中電流控制的有效手段，因?yàn)榛娏鬓D(zhuǎn)換成直流的量是 通過改變同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和pi控制器的帶寬來實(shí)現(xiàn)的，以防止直流無限制的 輸入。因此，pi控制器可以實(shí)現(xiàn)對基波電流的零誤差跟蹤。但基于以上分析， 在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，并網(wǎng)逆變器的反饋電流將包括在逆變器周期擾動中產(chǎn)生 的諧波分量。因此，pi控制器的帶寬

6、在跟蹤波動信號時(shí)是不夠的。此外，如 果為了降低跟蹤誤差將pi控制器的增益設(shè)置太高，它可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。在介紹電流控制器之前，提出一個(gè)內(nèi)部模塊原則的理論背景。在內(nèi)部模型 的原則中表明，在穩(wěn)定的狀態(tài)下，如果發(fā)生器的基準(zhǔn)輸入或干擾存在于閉環(huán)系 統(tǒng)中，則可實(shí)現(xiàn)完善的跟蹤任何參考輸入或者拒絕任何周期的干擾。對于每一個(gè)諧波，我們可以嵌入到相應(yīng)的內(nèi)部控制系統(tǒng)模型中。但是，這將 增加控制的復(fù)雜性。重復(fù)控制器可以解決這個(gè)問題。重復(fù)控制器可以被視為一 個(gè)簡單的學(xué)習(xí)控制，因?yàn)樵诳刂戚斎氲挠?jì)算中，其使用的信息是來自前面周期 的錯(cuò)誤信息。對于電流的跟蹤，重復(fù)控制器則提供了一個(gè)更好的選擇，因?yàn)樗?可以同時(shí)處理大量諧波，

7、甚至是無諧波頻率下的干擾。不幸的是，在負(fù)載突然變化的情況下，重復(fù)控制器的動態(tài)響應(yīng)速度低。為 了提高動態(tài)響應(yīng)能力，插入一個(gè)pi控制器并聯(lián)到重復(fù)控制器上形成復(fù)合控制 器。在這種控制方案中pi控制器對提高過沖和在嚴(yán)重干擾的情況下提高響應(yīng) 時(shí)間方面起到重要作用，并且重復(fù)控制器在負(fù)責(zé)良好的穩(wěn)態(tài)跟蹤精度上起到了重要作用。該控制系統(tǒng)采用復(fù)合控制器如圖3所示。在這個(gè)控制系統(tǒng)，輸出電流反饋交 叉解耦是相適應(yīng)的。對此復(fù)合控制器來說，PI控制器和重復(fù)控制器是減少錯(cuò)誤的互補(bǔ)方法，并 針對于各種不同類型的錯(cuò)誤。因此，為了最佳的錯(cuò)誤跟蹤，他們可以同時(shí)使用。 此外，PI控制器調(diào)節(jié)開關(guān)時(shí)間上的錯(cuò)誤，而重復(fù)控制器調(diào)節(jié)一個(gè)調(diào)制周

8、期上 的錯(cuò)誤。這兩種控制器的控制在時(shí)域上是解耦的。因此，對每個(gè)控制器的獨(dú)立 設(shè)計(jì)是可行的。4控制器設(shè)計(jì)在并網(wǎng)逆變器的一些重要參數(shù)列于標(biāo)簽中。在此標(biāo)簽中，R值來自于實(shí)驗(yàn)。41 PI控制器的設(shè)計(jì)從控制系統(tǒng)框圖中，我們可以看到，被控對象是一個(gè)一階系統(tǒng)。因此電流控 制閉環(huán)成為一個(gè)典型的二階系統(tǒng)。為滿足本系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力的要求，PI控 制器參數(shù)整定方法在文獻(xiàn)7提出。因?yàn)槭遣捎脭?shù)字控制，所以PI控制器在連續(xù) 域內(nèi)設(shè)計(jì)的參數(shù)應(yīng)修改，以滿足離散域系統(tǒng)性能的要求。電流單位階躍響應(yīng)的閉 環(huán)傳遞函數(shù)圖如圖4所示。從圖4中，我們可以看到，基于PI補(bǔ)償?shù)碾娏骺刂苹芈返膭討B(tài)響應(yīng)就很好了。4.2重復(fù)控制器設(shè)計(jì)重復(fù)控制器由

9、一個(gè)重復(fù)的信號發(fā)生器(參考或擾動信號的內(nèi)部模型)和補(bǔ)償器 構(gòu)成，如圖5所示。根據(jù)圖5,重復(fù)信號發(fā)生器是一個(gè)調(diào)制周期延遲正反饋的一部分。無論是何種 輸入信號，該信號發(fā)生器的輸出是由輸入信號的周期性積累產(chǎn)生的。即使輸入減 小到零，信號發(fā)生器將仍然重復(fù)產(chǎn)生與上周期相同的控制信號。因此，如果系統(tǒng) 是穩(wěn)定的，因此可以預(yù)料周期誤差將為零。在重復(fù)信號發(fā)生器中，Q(z -1)是一 個(gè)重要因素。它決定了穩(wěn)定的跟蹤精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在本論文中，我們將它 定為一個(gè)常數(shù)0.95。補(bǔ)償器的功能是消除逆變器的諧振峰值，并根據(jù)被控對象的性能的特點(diǎn)衰減 高頻增益。該補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)決定了重復(fù)控制器的性能。該補(bǔ)償器由一個(gè)增益系數(shù)

10、 Kr和穩(wěn)定補(bǔ)償S(z-i)構(gòu)成的。較小的Kr穩(wěn)定裕度的增大，而較高的Kr將會帶 來更快誤差收斂和更小的穩(wěn)態(tài)誤差，但降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以仔細(xì)選擇Kr 可以更好的協(xié)調(diào)收斂速度和重復(fù)控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。S(z -1)是一個(gè)穩(wěn)定的 補(bǔ)償器。補(bǔ)償器確保了整個(gè)系統(tǒng)的指數(shù)穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)11對補(bǔ)償器設(shè)計(jì)進(jìn)行 了詳細(xì)介紹。根據(jù)標(biāo)簽中所顯示的參數(shù)，控制對象的傳遞函數(shù)可以被描述為公式(3),對于控制對象,z 1有幾乎低于截止頻率相同的相移。相抵消的效果如圖 6所示。5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了驗(yàn)證所提出的控制器，開發(fā)了一個(gè)20千瓦的實(shí)驗(yàn)室并網(wǎng)逆變器樣機(jī)。在 此樣機(jī)中進(jìn)行了兩種用不同電流控制策略實(shí)驗(yàn)。51輸出電流波形與

11、PI控制器圖7顯示了輸出電流波形，其頻率只有PI控制器的頻譜分析。這一數(shù)字表明， 低次諧波成分，主要是第5和第7次諧波，而且是很高的?？傊C波失真(THD) 約為5%。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，電流與諧波的分析如圖8所示。從圖中中可以觀察，即 去除了直流量，在電流中有交流分量，并且諧波電流主要變成了 6次諧波，這與 該理論體系的理論分析相吻合。52輸出電流波形與復(fù)合控制器復(fù)合電流控制器和每個(gè)電流頻譜的電流波形顯示在相同的圖中，如圖9所示。 與圖7的結(jié)果進(jìn)行比較，各相電流的諧波失真在很大程度上減少了。對第5和 第7次諧波成分進(jìn)行了有效的抑制。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電流如圖10所示， 幾乎變成了直流量。從以上結(jié)果，我們可以看到，采用復(fù)合控制策略能夠有效的改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性 能。53動態(tài)的PI控制器和復(fù)合控制器的響應(yīng)波形為了比較各控制策略的動態(tài)響應(yīng)性能，我們還給出了在階躍信號下控制系統(tǒng) 的動態(tài)波形，如圖11所示。從這個(gè)圖中我們可以看出，復(fù)合控制器的動態(tài)響應(yīng) 特性幾乎與PI控制器相同。這意味著，復(fù)合控制器可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能， 但沒有惡