T型逆变器并网控制策略

辽宁工业大学 唐 源 孟丽囡

对于光伏并网发电系统来说，逆变器的并网控制策略是关键。针对比例谐振控制策略静态性能较差，抗干扰能力不足等问题，提出了比例谐振控制结合重复控制的复合并网控制策略，既能够保留比例谐振控制对于正弦参考信号的无静差跟踪能力，又引入重复控制降低系统谐波含量。最后通过仿真验证了所提控制策略的可行性，能够有效降低系统的THD值。

随着人们对能源的依赖和强烈需求，使得国内外将研究的焦点放在了能源的合理开发和利用上。目前，太阳能凭借其清洁、可持续发展等优势为经济和环境的和谐发展带来巨大的希望，这种发展将导致世界各国更加专注对于光伏发电系统技术的研究，以确保发电系统的可行性并提高其效率、扩大使用规模。而对于光伏并网发电系统来说，逆变器的并网控制策略则是关键。

最常用的控制方法是PI控制，该方法的优点在于控制器的设计简单，且成本较低，但是由于该控制是在直流坐标系下进行，需要复杂的解耦过程，并且无法追踪交流分量，存在稳态误差问题。针对这一问题，阳喜提出了比例谐振控制（PR）方法，PR控制方法可以直接控制交流分量，实现无静差跟踪交流信号，具有较好的动态性能。但是PR控制器带宽较小，除了在特定频率处增益无穷大外，其它频率处增益很小，抗干扰能力不足。针对上述问题，本文以T型逆变器拓扑结构为基础，在准PR控制中加入重复控制器，增强系统稳定性的同时降低谐波含量。最后利用仿真验证了控制策略的可行性和有效性。

1 基于重复准PR的并网控制策略

基于重复准PR控制的LCL型并网逆变器双闭环电流控制策略框图如图1所示。

图1 双闭环控制原理

其中G(s)为控制器的传递函数；Kc表示电容电流反馈系数；Kpwm表示逆变器等效增益。图中内环用于抑制传统LCL滤波器的谐振尖峰，采用电容电流反馈方法。外环用于对并网电流进行反馈控制，采用重复准PR并网控制策略。

1.1 准比例谐振控制策略

准比例谐振控制是基于比例谐振控制改进的一种方法，PR控制器在谐振频率处有无穷大增益。如果将PR控制器的谐振频率设置为基波频率便可以实现对电网基波频率的无静差跟踪。PR控制器的传递函数为：

其中，Kp为比例系数；KR为谐振系数；ω0=2πf0为基波角频率。

由式(1)得到PR控制器在基频ω0处的增益为：

由式(2)可以看出，该增益趋于无穷大，也就是PR控制器将一个无限大的增益引入到了其基波频率处，其它频率处的增益没有变，所以PR控制能够实现并网逆变器输出电流的无静差控制。

本文采用的是一种准PR控制器，在PR控制器上增加了零点，其控制器的传递函数为：

1.2 重复控制策略

重复控制的基本思想来源于内膜原理，它巧妙地构造了一个“重复信号发生器”的内膜，重复控制的离散形式为：

式(4)中N代表周期内采样次数；Q表示积分衰减系数；S(z)为补偿函数。图2所示为重复控制框图。

图2 重复控制结构图

其中r为参考信号；e为误差信号；z-N为周期延迟环节；Kr为增益系数；zk为超前补偿环节；S(z)为补偿器；P(z)为被控对象；Q(z)为辅助补偿器。

1.3 重复控制器的设计

通过对图2分析可知，重复控制器的设计主要分为以下几个部分：

（1）积分环节Q(z)。为了方便设置Q(z)=0.95。

（2）补偿器C(z)是重复控制设计中最重要的，它决定等效控制对象在高频段中的衰减能力，由以下三部分组成：

第一，二阶滤波器S(z)的设计。二阶滤波器能够提高高频段时的衰减速度，设置其阻尼比ζ=0.7，截止频率取4KHz，得到最终的传递函数为：

第二，相位补偿zk的整定。由分析可知，重复控制系统前端存在延时环节，导致整个系统相位滞后，这时就需要zk来进行相位补偿。通过参数调试，选取k=5补偿效果比较好。

第三，增益kr的选择。kr的大小决定了抑制谐波能力的强弱，通常范围在0～1之间，但是又不能等于1，因为当取kr的时候发现虽然能够完全的抑制周期性谐波干扰，但是又暴露出稳定性和鲁棒性的问题。故本文选取kr=9。

2 仿真验证

为了验证所提控制策略的正确性和可行性，在Matlab/Simulink中搭建T型逆变器仿真模型，仿真参数设置如下：直流侧电压为700V；直流侧电容为3600μF；滤波电感L1=2.75mH，L2=1mH，R=3.03Ω，滤波电容为9.76μF；电网额定频率为50Hz，其它参数按上文所提供设置。分别得到准PR控制和重复准PR控制下电流、电压波形图如图3所示。

图3 两种控制下并网电流、电压波形图

对比两张图可以看到，当系统采用准PR控制策略进行闭环控制时，并网电压和电流基本保持同相位，并网电流反应迅速，能够及时对参考电流进行跟踪。但是在0.15s后，系统受到了外界干扰，电流波形发生畸变。而基于重复准PR控制策略的输出并网电压、电流波形均较好，并网波形质量较高，虽然在前0.1s系统不稳定，但是经过短暂的调整，逐渐变稳定。使用Powergui里的FFT工具，分别两种控制下的T型三电平逆变并网输出进行傅里叶变换，进而分析并网波形的谐波含量。如图4所示，设置相同的起始时间为0.01s，频率都为50Hz。

图4 两种控制下网侧电流FFT分析对比

图4(a)为准PR控制下FFT分析图，其THD=3.34%；图4(b)为重复准PR控制下FFT分析图，其THD=0.72%。很明显，重复准PR控制的THD值更低，即对谐波抑制能力更强。

本文基于T型三电平逆变器模型，提出了一种将准PR控制策略与重复控制策略相结合的复合并网控制策略，既保留了准PR控制器对参考电流的无静差跟踪能力，同时引入了重复控制对周期性扰动和对高次谐波良好的抑制能力，最后在Matlab/simulink仿真环境中，将准PR控制策略和重复准PR控制策略进行对比，验证了基于重复准PR控制策略具有良好的动静态性能，并能够有效的抑制高次谐波。