基于改进PR控制的多功能逆变器控制策略

刘亚峰，陈 羽，彭 克，刘国栋

（山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255049）

基于改进PR控制的多功能逆变器控制策略

刘亚峰，陈 羽，彭 克，刘国栋

（山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255049）

多功能并网逆变器（multi-functional grid-tied inverter，MFGTI）在实现分布式电源（Distributed Generation，DG）并网的同时能够兼具电能质量治理的功能，相比功能单一的并网逆变器，具有更好的应用前景。针对分布式电源的多功能并网逆变器进行研究，针对传统PR控制器，提出一种基于改进PR控制的多功能逆变器跟踪控制方法，除了并网控制外还兼具了滤除谐波电流的功能。设计了应用多层PIR控制器的双环PQ逆变器控制，使并网的分布式电源除了提供功率以外还能够有效滤除特定次数谐波。建立该控制系统的数学模型并且利用DIGSILENT／PowerFactory对其进行仿真，验证了该控制系统的正确性和有效性。仿真结果表明，所提出的多功能逆变器除了能够改善并网点的电能质量，还能够满足微网的要求，对并网点进行PQ控制。

分布式发电；谐波补偿；多功能逆变器；PIR控制

0 引言

分布式发电系统是应对环境污染、应用清洁能源的有效途径，也是解决能源危机、利用可持续能源的较为现实的方式，近年来分布式电源（DG）得到了越来越多的重视［1］。如何将不可控的分布式电源以更高的电能质量稳定地接入电网便成了研究的热点。分布式电源一般通过并网逆变器接入微电网中。已经有学者对并网逆变器的拓扑以及控制策略进行了大量的研究［2-5］。为了降低分布式发电系统电能质量治理的成本和运行维护费用，提出了多功能并网逆变器的概念［6］。多功能并网逆变器即是复合了并网逆变器完成可再生能源或储能等微电源并网的功能和其他一些注入电能治理等功能的并网逆变器［7］。整合了功能分离的多台逆变器的功能于一台逆变器，将大幅降低系统的投资费用，提高DG系统的灵活性和适用范围，且更加便于维护［8］。文献［9-10］提出了一种基于PI控制的复合了APF功能的三相多功能逆变器，在abc坐标系下，PI控制器很难实现对正弦交流量的无静差跟踪；文献［11］提出了一种基于滞环控制复合了PFC和UPS功能的多功能逆变器，文献［12-13］提出了一种基于滞环控制复合了UPQC功能的多功能逆变器，但是滞环控制开关频率过大，容易造成发热［14-15］。

本文基于传统的PI控制器和PR控制器，提出了一种应基于改进型PR控制器——PIR控制器的多功能逆变器，具有较好的动态响应性能，能够实现电流无稳态误差跟踪电流参考值。

1 DG系统并网结构

DG系统的并网结构如图1所示，系统包括一个通过多功能逆变器并网的DG系统和下游的一个非线性负荷，经PCC点直接连接到电网。uDC为变压器直流侧的直流电压，iDG为逆变器输出电流，i为并网电流。直流侧电压由DG或者储能装置提供，直流电通过三相逆变器，经过多功能逆变器控制，通过PWM调制输出三相交流电。

图1 DG系统并网拓扑

2 多功能逆变器控制设计

在联网模式中，从外网看，DG系统应具有类似负荷特性。PQ控制又称定功率控制，多应用于并网情况，控制目的是要求DG系统的输出无功功率和有功功率等于其功率参考值，另外由于外部大电网承担了频率和电压的支撑，PQ控制不必考虑电压和频率问题。主要通过测量DG系统的电压和电流计算出有功功率和无功功率的输出值与预设的参考值进行比较，经过功率外环和电流内环控制最终得到PWM信号，实现对逆变器的电压或电流调节，最终实现恒功率输出的目的。

图2 多功能逆变器控制器设计

如图2所示，多功能逆变器控制主要由PLL锁相环［16］、功率计算、功率控制、谐波测量、电流控制等部分组成。其中，PO、QO是功率计算得到的逆变器输出的有功功率和无功功率，Pref、Qref是相应的功率参考值；θ是由PLL锁相环检测到的电压相位；idref、iqref是PQ功率控制得到的指令电流的d轴分量和q轴分量，ihdabc是谐波检测得到的谐波电流，一起输入给电流控制，由电流内环控制进行合成指令电流和对其跟踪控制。

功率控制如图3所示，功率计算得到Qref和Pref经过PI控制得到dq轴的指令电流idref和iqref，输出给电流控制。

图3 功率控制器结构

P和Q解耦以后分别进行控制，并采用功率外环和电流内环的双环控制策略，通过测量三相瞬时值电流与三相瞬时值电压，得到PO和QO，并和相应的功率的参考值进行比较，然后对其误差进行PI控制，得到内环控制器的参考信号idref和iqref，经过dq反变换后，与谐波检测得到的谐波电流ihabc叠加然后与检测到实际电流进行比较，对其误差进行PIR跟踪控制，得到PWM变流器的调制信号。

2.3 电流控制设计

传统PQ控制由于在dq坐标系下，采用PI控制器进行并网电流的跟踪，是由于在dq坐标系下并网指令电流idref、iqref均为一个常数。需要abc坐标系下的并网指令电流跟踪控制器，而在abc坐标系下，指令电流是正弦量，若应用PI控制器，会出现明显的幅值和相位稳态误差，将减小功率因数，降低了并网的电能质量。

借鉴dq轴是由abc轴和αβ轴旋转得到的思路，将PI控制器进行旋转，就能够得到PR控制器。对于所述PI控制器的不足，PR控制器能够有效解决，通过PR控制器对并网电流进行跟踪，能够对正弦信号进行很好的跟踪。PR控制器的传递函数GPR（s）为

式中：Kp和KR分别为PR比例谐振控制器的比例参数和谐振参数；ω0为谐振频率。

取Kp=50，KR=1 500，ω0=2πf=315 rad，波特图如图4所示。

图4 PR控制器波特图

PR控制器波特图如图4所示，PR控制器在ω0处的增益很大，但是其带宽非常小、非基波频率处增益非常小。而实际中微网的频率并不稳定，很容易发生偏移。当频率发生偏移的时候，PR控制器将并不能有效工作。

提出了应用改进PR控制器——PIR控制器，其传递函数G′PR（s）表达式为

式中：Ki为积分参数；ωc为截止频率，改善了增益的频带特性，当频率发生偏移的时候，也具有较好的跟踪能力。

Kp＝50，Ki＝450，KR＝1 500，ωc＝10 rand／s时PIR控制器波特图如图5所示。在额定频率处，ωc参数取值越小，带宽越窄；ωc越大，带宽越宽。

图5 PIR控制器波特图

在多功能逆变器上，考虑到谐波量，不仅要对工频量进行跟踪控制，还需要对倍频量进行跟踪控制，需要一个多层PR控制器，其传递函数为

式中：h为谐波的次数；KRh为h次谐波的谐振参数；ωch为 h次谐波的截止频率；ωh位 h次谐波的谐振频率。

应用多层PIR控制器设计电流控制如图6所示。idref和iqref经过dq反变化得到abc坐标轴下的控制电流，与谐波检测得到的abc三相的谐波电流iah、ibh、ich相叠加，得到 abc坐标轴下的指令电流 iaref、ibref、icref，与测得的 ia、ib、ic相比较，然后对其误差进行多层PIR控制，得到PWM逆变器的调制电压信号Va、Vb、Vc。

图6 基于多层PIR的电流控制

4 谐波检测原理

GB／T 14549—1993 《电能质量公用电网谐波》对谐波的定义：“对周期性交流量进行傅里叶分解，得到频率为基波频率大于1整数倍的分量。”

目前谐波检测最快速、应用最广泛的就是基于瞬时无损功率理论的谐波检测方法［17］，本文也采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波检测方法。

图7 谐波检测原理

谐波检测原理如图7所示，C32是abc坐标系到αβ正交坐标系的变换矩阵，Cpq是αβ正交坐标系到pq旋转坐标系的变换矩阵。Cpq-1是由pq旋转坐标系到αβ正交坐标系的变换矩阵，C32-1是由αβ变换回abc坐标轴变换矩阵。其中，Cpq和C32为

采用锁相环技术PLL对电网a相电压锁相，得到ω供Cpq矩阵使用。三相输入电流ia、ib、ic经过C32变换和Cpq变换得到有功电流和无功电流ip、iq。经过低通滤波器LPF滤波后得到直流分量，再经过一定的反变换就能得到三相交流的基波分量 iaf、ibf、icf，最后用三相电流与三相基波电流相减，即可求出三相电流的谐波分量iah、ibh、ich。

5 仿真分析

采用 PowerFactory／DIgsilent软件进行建模仿真。分布式电源并网如图8所示。

图8 分布式电网并网模型

直流电压源和PWM逆变器代表一个分布式电源系统，DC为直流母线，直流侧电压为0.8 kV。AC／PCC为并网点的0.4 kV交流母线。分布式电源系统指令有功和无功分别为0.5MW和0.2Mvar。外部电网等效于功率无穷大电源。线路L1001为架空线，AC单位长度正负序电阻为R′=0.284Ω／km，单位长度正负序电抗X′=0.083Ω／km，导体材料为铝。

外环PI控制器参数K=0.5、T=0.02，内环PIR控制器KP=50，Ki=450，Kr=1 500，h=5，7，11，13。

图9 PQ控制验证

0.5 s时，切除总负载，控制结果如图9所示。在负载切除后，基本能够保持分布式电源输出的有功无功功率恒定。

非线性负荷未滤波三相电流波形及频谱如图10和图11所示，由于非线性负载的存在，三项电流波形畸变严重，畸变率很高，达到16.33%，主要含有5次、7次、11次和13次谐波。

图10 非线性负荷未滤波三相电流波形

图11 非线性负荷未滤波频谱

图12 非线性负荷滤波后电流波形

图13 非线性负荷滤波后频谱

滤波后的电流波形和傅里叶变换频谱如图12和图13所示，总谐波畸变率降低到了2.08%。对比图11和图13可以看出：图11得到主要谐波次数，将多层PIR控制器参数设置h=5，7，11，13。5次、7次、11次、13次谐波明显降低，具有很好的滤波效果。GBT 14549—1993《电能质量公用电网谐波》规定0.4 kV等级，THD不超过5%。滤波前负载电流谐波畸变率THD为16.33%，滤波后，将谐波畸变率THD降低到了2.08%。

仿真结果证明，多功能逆变器DG系统具有恒功率控制和谐波治理的作用，对指定次数谐波具有很好的治理作用。

6 结语

采用静止αβ坐标系下的改进PR控制，利用入网电流作为电流内环，瞬时功率作为外环，设计具有谐波补偿功能的多功能逆变器。 通过PowerFactory／DIgsilent进行建模仿真。仿真结果表明，该多功能逆变器系统能够输出恒定的有功功率和无功功率，并且对特定次数的谐波具有良好的补偿性能。

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Control S trategy of M ulti-function I nverter B ased on I m proved PR C ontrol

LIU Yafeng，CHEN Yu，PENG Ke，LIU Guodong
（School of Electrical and Electronic Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China）

The multi-function grid-connected inverter is able to condition the power quality while serving as an interface between the distribution generations and the grid.It has a better prospect comparing with the single-function grid-connected inverter.In this paper，the conventional PR controller is reviewed.Based on characteristic of the PR control，a new ea tracking control of the multi-function grid-connected inverter for interfacing the distribution generations to the grid is proposed based on by implementing the improved PR control.In addition to the grid connected control of the fundamental harmonic，it is also able to filter the harmonic currents.A dual loop PQ control using several parallel PIR controllers to control the grid-connected distributed g eneration is designed in order to effectively eliminate certain harmonics.The mathematical model of the control system is established and simulated via PowerFactory／DIgsilent.The validity and effectiveness of the proposed control system is verified by simulation.The simulation results show that the proposed multiefunction inverter is able to not only satisfy the requirements of themicro-network and PQ control for grid-connection but also improve the power quality within the grid.

distributed generation；harmonic compensation；multifunctional inverter；PIR control

TM72

A

1007－9904（2017）06－0035－06

2017-02-18

刘亚峰（1990），男，硕士研究生，研究方向为微网电能质量。