基于解耦控制的单相并网逆变控制算法

蔡逢煌， 江彦伟， 王武(福州大学 电气工程与自动化学院,福建 福州 350108)

基于解耦控制的单相并网逆变控制算法

蔡逢煌， 江彦伟， 王武
(福州大学 电气工程与自动化学院,福建 福州 350108)

并网控制系统存在电网电压扰动与电流控制环的耦合关系。首先在数学上详细分析和推导了电网电压扰动对电流控制的影响，证明了设计电流控制器时忽略电网电压扰动的不合理性。同时，通过采用解耦控制消除电网电压对电流环的扰动，提高系统的电流跟踪精度 。最后，通过PSIM软件进行仿真研究，并在一台基于TMS320F2808的4 kVA并网逆变器进行实验，仿真与实验表明了控制算法的可行性和优越性。

逆变器；电流控制; 电网电压扰动；解耦控制；数字控制

0 引 言

近年来，随着传统不可再生能源日趋紧张，促使了新能源发电技术迅速发展。并网逆变器是新能源与电网的重要接口，主要控制对象是电网电流，主要控制目标是实现低电流谐波下的单位功率因数并网。因此，并网电流控制技术得到众多学者的关注和研究[1-3]。文献[4-6]指出并网电流控制系统存在电网电压扰动，传统的并网电流控制器设计经常忽略电压扰动环节，然而并没有分析忽略扰动的数学条件及其合理性，使控制器效果。因此本文首次在数学上详细分析了电网电压扰动对电流控制的影响，并给出了基于解耦控制的并网数字控制算法，最后在一台4 kVA的全数字控制逆变器上进行了验证。

1 并网控制系统分析

本文以单相全桥逆变器为控制对象，采用单极性控制。其中Lf和Cf分别为滤波电感和滤波电容，因为滤波电容很小，所以并网电流控制时可以忽略电容电流，直接控制电感电流。

图1 全桥逆变电路拓扑

由图1，根据基尔霍夫定律和拉氏变换可得:

(1)

其中D(s)为开关管占空比。

1.1 扰动环节对控制环路的影响分析

最基本的直接瞬时控制电感电流方法是采用比例调节跟踪正弦电流给定信号，其占空比表达式为：

(2)

图2 电流环比例控制框图

其中Kip为比例控制系数，IR(s)为电流给定，综合式(1)和(2)，并对它们做带零阶保持器的z变换，则可得到电流跟踪比例调节在离散域下的控制框图，如图2所示。

由图2可得到IL(z)的表达式为：

IL(z)=G1(z)IR(z)-G2(z)Vg(z)

(3)

其中G1(z)IR(z)和G2(z)Vg(z)分别为控制器部分和电网电压扰动部分。

(4)

(5)

由式(3)可知电流环受到了电网电压扰动影响。传统的控制器分析设计方法，通常将扰动部分忽略掉，使控制模型近似线性。然而在数学上将扰动环节忽略掉的前提是其相对于控制器部分所占的比例G趋近于无穷小，如式(6)。

(6)

图3给出了在不同的电流给定下G与Kip的关系曲线。由曲线可知Kip取得越小,G越大；电流给定越小G越大，表明了系统在取得Kip或电流给定较小的情况下，扰动部分在电流环里占的比重越大，电流跟踪效果越差，因此，扰动环节更加不可忽略。只有当Kip取得较大时，G才会趋近于无穷小，扰动环节才可忽略。

图3 不同电流给定下Kip与G的关系曲线

假设Vbus保持不变，忽略扰动部分，易得到电感电流对给定电流的闭环传递函数，并取不同的Kip值代入其中可得到相应的幅频特性曲线。由图4可以发现Kip取得比较大时会出现谐振峰，极易导致系统不稳定，同时由于在实际的并网控制系统中存在采样和控制延时等不可避免的因素，Kip也不可能取得太大。所以G不可能趋近于无穷小，所以设计控制器时忽略电网电压扰动环节是不合理的。

图4 不同Kip下的幅频特性曲线

因此，由于电网电压扰动环节的存在和直流母线扰动对控制器的影响，采用比例控制无法消除电网电压和母线电压扰动对电流环的作用，会导致输出电流跟踪效果差，特别在电流给定或Kip取得较小的情况下更差。采用PI控制器可以提高环路增益降低扰动环节所占的比重，然而积分器是个滞后环节，会使控制的电流存在较大的稳态误差。

1.2 解耦控制分析

为了消除电网电压扰动和直流母线电压对电流控制环路的影响，在图2里的控制环节引入电网电压前馈和直流母线电压,实现扰动电压与电流环的解耦，此时占空比表达式为：

(7)

由式(1)(2)和(8)可得到新的控制框图，如图5。

图5 基于解耦控制的电流环控制框图

由图5易得到IL(z)表达式如下：

(8)

对比式(3)，此时改进后的IL(z)表达式已完全线性化，不再含有电网电压扰动部分即G2=0，电网电压与电流环实现解耦。控制器部分也不再包含有母线电压。将控制参数Kip代入式(8)中可得到电流闭环传递函数的幅频和相频特性曲线如图6(a)。

图6 电流环控制系统特性

由图6(a)可知电感电流对给定的增益几乎接近于1，相位几乎接近于0，说明电流环跟踪能力强，控制系统稳态性能良好。图6(b)给出了控制系统的单位阶跃响应曲线。由图可知系统在单位阶跃响应的过程中有微小的超调，经过62.5 μs可以达到稳态，调节时间较短，可以满足系统的动态响应要求。

2 仿真与实验

2.1 仿真分析

基于上述分析，本文采用PSIM仿真软件对控制算法进行仿真。仿真参数如下：额定功率4 kVA,输入直流电压370 V,输出交流电压220 V,滤波电感1.3 mH，滤波电容4.4 μF，开关频率16 k。

图7 仿真波形

图7给出了在同样的电流给定下控制器优化前后的电网电压电流仿真波形。由图可见采用比例控制时，由于电压扰动环节的存在，即使比例系数取系统稳定条件下的最大值 ，其并网电流幅值仍无法跟踪到电流给定，存在约100%的幅值误差。引入解耦控制后，控制系统实现了线性化，并网电流可以完全跟踪电流给定。2.2 实验结果

为进一步验证上述控制策略，搭建一台基于TMS320F2808型DSP的4 kVA单相并网逆变器，并进行实验研究。实验主要参数同仿真参数。如图8为电流给定分别为半载和满载时的电网电压电流波形。由图8可知控制器具有较好的控制效果和电流跟踪精度，其中电网电压THD=1.5%时，电流THD在半载和满载时分别为2.5%和1.8%，PF分别和0.998和1。

图8 并网电压电流波形

3 结束语

本文详细分析和证明了在并网电流控制器设计中传统的设计方法将电压扰动忽略的不合理性，因而导致电流控制效果差，并指出电压扰动不能忽略的原因在于控制增益无法取得较大而使扰动部分在整个控制模型的比重较大。本文通过在控制器中引入解耦控制技术可以使控制环路实现解耦，提高电流控制效果。仿真和实验结果均证明了解耦之后的控制系统具有良好的输出特性和电流跟踪性能。

[1] 曾晓生,杨苹..基于改进型电流控制策略的单相并网逆变装置研究[J] .电工电能新技术,2012,31(2):56-59.

[2] 郭晓瑞，郭吉丰.单相光伏并网逆变控制器的优化[J] .电工电能新技术,2013,32(4):40-43.

[3] 王兴贵，时瑞.基于dsPIC30F30]]的单相光伏并网逆变器设计[J].电气自动化,2013,35(6):20-22.

[4] DONG DONG, TIMOTHY THACKER.Modes of operation and system-level control of single-phase bidirectional PWM converter for microgrid systems[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2012,3(1):93-104.

[5] RODRIGUEZ J. Predictive current control of a voltage source inverter[J]. IEEE Transactions on Industry Electronics, 2007, 54(1): 495-503.[6] ATHALYE P, MAKSIMOVIE D, ERICKSON R. Variablefrequency predictive digital current mode control[J].IEEE Power Electronics Letters, 2004, 2(4): 113-116.

A Control Algorithm for Single-phase Grid-connection Inversion Based on Decoupling Control

CAI Feng-huang, JIANG Yan-wei, WANG Wu
(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou Fujian 350108, China)

In the grid connection control system, there exists a coupling relationship between grid voltage disturbance and current control loop. Firstly, this paper presents a detailed mathematical analysis and deduction of the influence produced by grid voltage disturbance upon current control, and proves the irrationality of ignoring the disturbance during the process of designing the current controller. Then, decoupling control is applied to eliminate the disturbance of grid voltage upon the current loop and improve the current tracking accuracy of system. Finally, simulation is made through PSIM, and an experiment is made on a 4 kVA grid connection inverter based on TMS320F2808. The simulation and experiment results verify the feasibility and superiority of the proposed control algorithm.

inverter; current control; grid voltage disturbance;decoupling control;digital control

福建省自然科学基金资助项目(2013J01178)

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.013

TM464

A

1000-3886(2015)05-0040-03

蔡逢煌(1976-)，男，福建蒲田人，博士，副教授，研究方向：电力电子系统建模与优化，电力电子系统控制算法研究与实现。 江彦伟(1990-)，男，福建璋州人，硕士生，研究方向：电力电子系统控制算法设计与实现。 王武(1973-)，男，福建蒲田人，博士，教授，研究方向：电力电子系统建模与优化、电力电子系统控制算法研究与实现。

定稿日期: 2014-10-28