基于重复和PI复合控制的光伏并网逆变器研究*

郑　宏,蒋　超,蒋丽琴,申兴宇

(江苏大学电气信息工程学院,江苏 镇江 212013)



基于重复和PI复合控制的光伏并网逆变器研究*

郑宏*,蒋超,蒋丽琴,申兴宇

(江苏大学电气信息工程学院,江苏 镇江 212013)

摘要:并网逆变器的控制策略是光伏逆变器各个控制模块中最重要的环节,如何使得逆变器输出电流很好地跟踪电网电压,实现同频同相,输出波形质量更高是逆变器控制的关键。针对以上问题,对重复控制原理进行了深入的分析,设计PI闭环控制、重复控制以及重复和PI复合控制这3种控制方法对周期性扰动进行调节,并在MATLAB/Simulink环境中进行了仿真,取得良好的并网逆变控制效果。仿真结果充分地说明了重复和PI复合控制对周期性扰动有更好的抑制作用。

关键词:并网逆变器;重复控制;PI控制;复合控制

随着社会的发展,科技的进步,人类所消耗的资源越来越多,全球能源危机和环境污染问题的日益严重。太阳能以清洁、实用、易于大规模开发利用等优点越来越受到大家重视[1]。

对于光伏并网逆变器的研究也越来越受到关注,而控制策略是逆变器最核心的技术[2-3]。传统的PI控制虽然能够提高系统的响应速度,在一定程度上保证输出电流的稳定[4],但当光伏系统受非线性负载和外部环境扰动的影响时,系统输出电流波形质量就变得较差[5-7]。而基于内模原理的重复控制技术可以有效地抑制周期性干扰,增强系统稳定性,提高波形质量[8],但重复控制也存在动态响应慢的缺点。针对光伏系统易受周期性扰动影响的特点,本文提出采用重复控制和PI控制复合控制的方法,吸取两者的优点,使系统获得良好的动态性能和稳态精度,降低了谐波含量。

1　重复控制原理

重复控制是基于内模原理的一种控制思想。它的内模数学模型描述的是周期性信号,因而使得闭环控制系统能够无静差地跟踪周期信号[9]。单一频率的正弦波是典型的周期信号,它的数学模型为

(1)

只要在控制器前向通道串联一个与输入同频率的正弦信号,就可以实现系统的无静差跟踪。重复控制也多用数字控制方式。离散后的重复控制内模为

(2)

式中N为一个周期的采样次数;一般逆变器重复控制系统示意图如图1所示。

图1　重复控制原理图

图2　重复和PI复合控制的示意图

2　重复和PI复合控制器参数设计

2.1内模分析

重复控制来源于内模原理,是它的一个特殊应用。将周期性的输入信号发生器引入到闭环控制系统中,以实现在稳态下输出量能无静差地跟踪输入信号的控制目标。离散逆变系统的内模如图1中虚线部分所示:

(3)

式中:为每个基波周期内的采样次数,如果系统的采样频率为fs,基波频率为f,那么N的计算方法为N=fs/f;Q(z)为略小于1的常数或一阶低通滤波器。在该内模中,前向通道上串联的z-N是一个周期延迟环节,可以使当前周期的误差信号。在下一周期起作用,但其延迟作用也影响了系统的快速性。引入带限滤波器Q(z)的目的是提高系统的稳定性。在理想内模条件下,Q(z)=1。此时系统可以对输入信号进行理想的无静差跟踪。但这种情况下系统处于临界稳定状态,不符合稳定性要求。所以一般设Q(z)为略小于1的常数或一阶低通滤波器,以牺牲系统一定的跟踪精度来保证稳态裕度。本文取Q(z)=0.9。

2.2补偿器设计

为了提高整个系统的性能,需要针对被控对象设置重复控制器的补偿器。见图2,补偿器C(z)=krzkS1(z)S2(z),式中,kr为重复控制器输出控制量增益系数,其值越大稳态误差越小,但系统稳态裕度也越小;其值越小系统越稳定,而稳态误差越大。通常取kr=1。S(z)是针对被控对象平P(z)进行设计的。系统原理图见图3,本文中滤波电感Lf=47mH,电感寄生电阻RL=0.9Ω,滤波电容Cf=20μF,电容寄生电阻RC=0.02Ω,直流侧电压Udc=400V,电网交流电压幅值ek=220V,由此可以得出被控对象的传递函数:

(4)

图3　系统原理图

经零阶保持器法Z变换后得到:

(5)

其波特图见图4,可以看出逆变器的对数幅频特性在ω=5 200rad/s处具有一个谐振峰;并且在中低频段相移特别小,几乎为零。

图4　P(z)的波特图

由于死区效应和非线性负载引起的谐波主要集中在中低频段,高频部分含量很小;根据离散系统的稳定条件希望得到的S(z)P(z)的波特图在中低频段应为零相移,零增益,高频段应为急剧衰减,相移尽量为零。因此补偿器的主要任务是:抵消逆变器模型伯德图中的谐振峰,使得高频段幅值急剧衰减,同时保证零相移。

2.2.1二阶滤波器C1(z)的设计

C1(z)的作用是提供高频衰减而不是减小谐振峰,故其截止频率可以设的较大。本设计中其截止频率取为逆变器的截止频率即ωn=5 200rad/s,同时防止其自身再次谐振,阻尼比需要大于0.707,本文取为1.6。这样可以得到

(6)

经零阶保持器法Z变换得到:

(7)

其波特图如图5所示。

图5　C1(z)的波特图

2.2.2零相移FIR滤波器C2(z)的设计

零相移FIR滤波器的幅频特性是:在逆变器截止频率之前没有明显的降低,在截止频率之后增益的下降斜率迅速增大。这样就克服了单纯用低通滤波器进行补偿的缺点,在逆变器的截止频率处会有足够的负增益抵消谐振峰。它的一般表达式为[24]:

(8)

结合P(z)的频率响应特性,文中设计为:

(9)

其波特图如图6所示。

图6　C2(z)的波特图

2.2.3Zk超前环节和调整系数

超前环节是用来补偿被控对象和补偿器所引起的总相位滞后,本设计中设k=6。调整系数用以改善系统性能,一般取为一个不大于 1 但接近于 1 的正常数,本设计中取为 0.9。超前环节的波特图如7图所示,可看出其相位超前几乎完全补偿被控对象以及滤波器所引起的相位滞后。

图7　Z6的波特图

3　MATLAB/Simulink仿真研究

根据系统参数,见表1。系统采用倍频SPWM调制方法,给定信号为50 Hz正弦波,系统中的周期性干扰即为逆变器死区效应及非线性器件所引起的谐波。

表1　仿真试验参数

图8～图10分别为采用PI、重复控制以及重复和PI复合控制3种方法的输出电流波形;图11～图13为在这3种方法控制下输出电流的谐波分析图。

图8　采用PI控制方法的输出电流与电网电压波形

图9　采用重复控制方法的输出电流与电网电压波形

图10　采用复合重复控制方法的输出电流与电网电压波形

图11　采用PI控制方法的输出电流波形的谐波分析图

图12　采用重复控制方法的输出电流波形的谐波分析图

图13　采用复合控制方法的输出电流波形的谐波分析图

4　结论

本文对PI闭环控制、重复控制以及重复和PI复合控制这3种控制方法进行了仿真,针对周期性扰动3种方法都较好的实现了输出电流与电网电压同频同相,在PI闭环控制下的输出电流动态响应快,但波形THD达3.82%;在重复控制下的输出电流动态响应滞后,但稳态精度较高,波形质量较好,THD为3.24%;在重复和PI复合控制下的输出电流不仅动态响应快,波形质量也高,THD为2.54%。3种方法的仿真比较得出,对于周期性扰动,PI闭环控制和重复控制各有优缺,结合二者优点,重复和PI复合控制是更为理想的控制方法。

参考文献:

[1]唐昭.浅析光伏产业的发展现状、前景及可持续发展之路探寻[J].知识经济,2011,17:13-14.

[2]董密.太阳能光伏并网发电系统的优化设计与控制策略研究[D].中南大学,2007.

[3]石昆,章坚民,李阳春.基于DSP的三相光伏并网逆变器控制系统设计与实现[J].电子器件,2011(3):273-277.

[4]张震,柴文野,潘登,等.基于PID和重复控制的UPS逆变器的研究[J].电测与仪表,2011(3):89-92.

[5]Hornik T,Zhong Q C.A Current-Control Strategy for Voltage-Source Inverters in Microgrids Based on H∞and Repetitive Control[J].IEEE Trans Power Electron,2011,26(3):943-952.

[6]Zhou K,Wang D.Digital Repetitive Controlled Three-Phase PWM Rectifier[J].IEEE Trans Power Electron,2003,18(1):309-316.

[7]Jiang S,Cao D,Li Y,et al.Grid-Connected Boost-Half-Bridge Photovoltaic Microinverter System Using Repetitive Current Control and Maximum Power Point Tracking[J].IEEE Trans Power Electron,2012,27(11):4711-4722.

[8]Cao Z,Ledwich G F.Adaptive Repetitive Control to Track Variableperiodic Signals with Fixed Sampling Rate[J].IEEE/ASME Trans Mechatronics,2002,7(3):378-384.

[9]刘飞,邹云屏,李辉.基于重复控制的电压源型逆变器输出电流波形控制方法[J].中国电机工程学报,2005,25(19):58-63.

郑宏(1965-),男,汉族,教授,博士,硕士生导师,主要研究方向为大功率电力电子变换器,分布式发电;

蒋超(1989-),男,汉族,硕士研究生,电力电子与电力传动专业,主要研究方向为大功率电力电子变换器,光伏并网逆变器,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

中图分类号:TM464

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)05-0983-04

收稿日期:2013-09-08修改日期:2013-09-28

项目来源:江苏高校优势学科建设工程项目;国家自然科学基金项目(61074019)