单相光伏系统的逆变器控制策略
金爱娟;曹文彬;游珊妮;董钰莹;王瑞奇;杨汶娟
【摘 要】针对单相光伏并网逆变器在比例积分(PI)调节器的控制下存在电流环难以跟踪电流,且输出滤波电容较大,使得系统不稳定及抗干扰能力差等问题,提出了一种基于比例谐振(PR)与PI调节器的单相并网的双并环控制策略,并搭建了整个单相光伏并网逆变控制系统的仿真模型.通过Simulink仿真表明了该控制器应用在整个系统中实现了对并网电流的无静差控制,消除了PI控制引起的相位误差,并提高了系统的稳定性.
【期刊名称】《电子科技》 【年(卷),期】2017(030)001 【总页数】4页(P19-22)
【关键词】光伏并网;逆变器;比例谐振
【作 者】金爱娟;曹文彬;游珊妮;董钰莹;王瑞奇;杨汶娟
【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093 【正文语种】中 文 【中图分类】TM615
在传统的单相光伏并网逆变控制系统中[1-3]，存在着逆变器不能有效抑制漏电流及系统的抗干扰能力差等问题，国内外很多学者也对逆变器的控制策略也进行了研究，通常光伏并网发电系统根据控制逆变器输出电压或控制输出电流可分为电压控制模式和电流控制模式。在电压型控制模式中，由于并网逆变器对电网呈现出低阻抗特性，其并网电流完全取决于电网电压，且对电网电压的参数变化比较敏感。如果电网电压受到扰动或出现不平衡时，则逆变器的电流相应地就会受到扰动，从而降低系统性能。电流控制模式中，输出电流是受控量，其质量受到电网电压的影响较少，这是因为对于电网来说，并网逆变器呈现出高阻抗特性。因此，采用这种模式，可减小电网电压的扰动对输出电流的影响，从而改善了输出电源的质量，具有控制简单、响应速度快、正弦度好等优点[4-5]。所以本文提出了一种基于PR与PI调节器的单相并网的双并环控制策略来提高系统的抗干扰能力及准确跟踪电流，从而提高系统的稳定性。
在中小功率单相并网逆变器中，其输出滤波器的电容一般较小，因此可考虑采用较为简单的双环控制策略，其系统及控制结构如图1所示。其中，并网逆变器的直流电压外环采用PI调节器，通过稳定直流侧电压实现逆变器输入、输出能量的平衡；电流内环的电流幅值参考值Imref由直流电压外环调节器的输出给定，通过检测获得电网电压相位角θ，并由cosθ、Imref的乘积获得瞬时输出电流的参考信号IL1ref，电流内环一般可采用简单的PI调节器，以实现电流的快速控制。由于电网电压扰动的存在，需要加入一个电网电压前馈补偿环节[6]，以抵消电网电压对并网电流的影响。从补偿原理可知，加入电网电压前馈补偿实际上是以开环控制方式来补偿可测量的干扰信号，而不会影响控制系统的特性。而且前馈控制可减轻反馈控制的负担，使得反馈控制系统的增益可取得较小，这对系统的稳定性有益。为了抑制电网电压扰动，加入电网电压前馈控制，电流环的输出与电网电压的前馈信号叠加后经过SPWM调制后输出驱动开关管，以实现单相逆变器的并网控制。
上述基于PI调节器的单相并网逆变器的双环控制虽然控制简单，但存在电流环难以完全跟踪电流，输出滤波电容较大及系统不稳定，且其主要靠电压前馈来抑制电网电压扰动。为实现电网电流的无静差控制，电网电流环可采用比例谐振调节器(PR)。内环调节器的输出经过SPWM调制后驱动开关管，以实现单相逆变器的并网控制。
2.1 基于PI的双环控制策略
在静止坐标系中，若要实现正弦参考信号的无静差控制，根据内模定理[7-8]，则要求系统在开环传递函数中包含正弦信号的S域模型，该模型可由以下两种无阻尼谐振的传递函数形式，即
根据伯德图可知，G1(S)可让系统稳定，G2(S)使系统的相角裕度较小甚至为负，可能引起系统的振荡。要使调节器增加自由度，根据系统的闭环极点的位置，在根轨迹上自由配置。调节器的传递函数可变为
采用上式(2)所示的调节器后，虽然系统在ω0附近具有无穷大的开环增益，但在其他频率处，其增益呈衰减趋势。因而，为了补偿原有的增益呈衰减趋势，提高系统的动态性能，需要相应地增大ω0外频率处的开环增益，为此在原有传递函数的基础上，引入比例项，即引入比例项的调节器的传递函数为
式(3)中，既含有比例项，又含有谐振项。因此Gc(S)形式的调节器结构被称为比例谐振调节器或称PR调节器。虽然PR调节器能使系统有较大的开环增益，但不适合给定信号频率变化的场合，而实际情况下，电网的频率会发生一定偏移，此时PR调节器就无法实现无静差跟踪电网正弦量。所以，本文采用了改进的调节器即PI和PR相结合的调节器。 2.2 基于PI和PR的双环控制策略
为改善PR调节器，在PR调节器的基础上加入PI调节器，综合两种调节器的优势，引入PI调节器，得到的并网逆变控制框图如图2所示。
对于PR控制开环系统而言，PI+PR控制器在PR控制器的基础上引进了一个负实轴上的零点和原点处的极点。极点位于零点的右边，保持初始暂态性能，并使系统的开环增益上升。如幅频特性曲线所示，PI+PR控制器系统的开环增益，高于PI、准PR控制器系统的开环增益，这有利于改善系统的稳态特性，减小稳态误差。 由图3可知在闭环状态下，在基波频率处，PI控制下的增益为-40 dB，相角为80°；PR控制下的增益为-10 dB，相角变化范围90°～450°； PI+PR控制下的增益为-0.62 dB，相角变化范围为-45°～135°；综合比较，PI与PR综合控制下的增益接近于0，明显好于单个控制器的增益，表明PI与PR综合控制下的电流环。从系统的稳定性来说，PI控制器的引入改善了单个PR控制器的相角裕度，从而不会引起系统振荡。
结合PI+PR调节器，在Matlab/Simulink中搭建整个单相光伏并网逆变系统的仿真模型，分别从系统的抗扰动能力和输出电流的跟踪能力来进行对比分析。 系统对扰动的反馈性能分析如图4所示，在闭环状态下，PI、PR和PR+PI控制器控制下的系统对阶跃扰动的调整时间ts最短，分别为0.01 s、1 s和0.15 s。 其中PI+PR控制器控制下的系统对阶跃扰动的超调量是最小的；PI+PR控制器控制下的系统对阶跃扰动的振荡次数最少。综上所述，加入PI控制器，相比于PR控制，使得系统的调整时间、超调量、振荡次数显著下降，表明系统的快速性、相对稳定性都得到了改善。
在不同控制器下的逆变输出电流如图5所示，从3种控制器控制下的逆变器输出电流仿真结果对比看，PI控制器控制下的输出电流跟踪参考电流效果较差，幅值和相位均有一定程度的偏差，电流谐波畸变率达4.8%；PR控制器控制下的输出电流跟踪参考电流，幅值与相位较为接近参考电流，电流谐波畸变率达4.2%； PI+PR控制器控制下的输出电流跟踪参考电流，幅值与相位高度吻合，电流谐波畸变率达1.9%，已远低于并网电流谐波畸变率5%的国家规定。仿真结果表明，
设计的PI+PR控制器能够基本无偏差跟踪参考电流。
本文研究了基于PI调节器的单相并网逆变系统，针对其存在电流环难以跟踪电流，且输出滤波电容较大，使得系统不稳定以及抗干扰能力差等问题，提出了一种新型基于PR与 PI调节器的单相并网的双并环控制策略，从PR+PI调节器的理论分析、控制闭环系统分析及系统对扰动的反馈性能分析3个角度综合得出，PR控制器加入PI控制器，相比于PI和PR控制，使得系统的振荡次数显著下降，稳态误差减小，表明系统的快速性、相对稳定性以及跟踪效果都得到改善。所以本文提出的这种新型控制器既实现了对并网电流的无静差控制，又消除了PI控制引起的相位误差，同时也提高了系统的稳定性。
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