基于改進(jìn)型比例諧振控制的三相光伏并網(wǎng)策略

吳增強(qiáng)， 鄒海榮， 魏 浩

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院, 上海 200240)

基于改進(jìn)型比例諧振控制的三相光伏并網(wǎng)策略

吳增強(qiáng)， 鄒海榮， 魏 浩

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院, 上海 200240)

為彌補(bǔ)比例諧振(PR)控制器帶寬窄、抗頻率偏移能力差等缺點(diǎn)，利用Matlab/Simulink仿真軟件分析了準(zhǔn)比例諧振(Quasi-PR)控制器的不足，并在其諧振環(huán)節(jié)增加零點(diǎn)，以提高其在諧振頻率處的增益；與Quasi-PR控制器進(jìn)行比較，結(jié)果表明改進(jìn)后的Quasi-PR控制器提高了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間與電網(wǎng)的抗干擾能力，減小了跟蹤電流誤差。

光伏逆變器; 準(zhǔn)比例諧振控制器; 諧波補(bǔ)償; 頻率偏移

太陽能作為一種可再生能源，具有無污染、蘊(yùn)含量大等優(yōu)點(diǎn)，受到各國(guó)的重視[1]，故太陽能光伏的應(yīng)用已成為研究的熱點(diǎn)。作為連接光伏電池及電網(wǎng)接口的光伏并網(wǎng)逆變器，是太陽能并網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵部件[2]，而逆變器的控制策略直接影響了整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的效率，故對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的意義。

傳統(tǒng)的PI(Proportional Integral)控制器，通過Clarke及Park變換,將三相交流電變成在靜止坐標(biāo)系下的兩相直流電[3-4]，但是，在dq坐標(biāo)系下的直流電存在強(qiáng)耦合，需要復(fù)雜的解耦控制才能完成。雖然使用PI加電網(wǎng)電壓前饋控制可以減小靜差，但是不能完全消除靜差。一些學(xué)者提出了比例諧振(Proportional Resonant, PR)[5-6]控制的方法。PR控制器在諧振頻率處能提供無窮大的增益，理論上可以實(shí)現(xiàn)特定頻率的無靜差控制，但是在其他頻率處，則無法實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤；而且，由于帶寬窄等原因，該控制器易受電網(wǎng)干擾。為彌補(bǔ)PR控制器的不足，一些學(xué)者提出了準(zhǔn)比例諧振(Quasi Proportion Resonant, Quasi-PR)[7-8]控制器。該控制器通過犧牲PR控制器在特定頻率處的部分增益來提高帶寬，雖然提高了在頻率附近的增益，也相應(yīng)地提高了系統(tǒng)的抗頻率偏移能力，但由于在特定頻率處的增益減小，故不可避免地存在靜差。

為減小Quasi-PR控制器的跟蹤靜差及提高抗頻率偏移能力，本文在Quasi-PR控制器的諧振環(huán)節(jié)增加了一個(gè)零點(diǎn)，利用仿真對(duì)比了改進(jìn)前、后的控制器在電流內(nèi)環(huán)跟蹤直流電流的能力和抗電網(wǎng)干擾能力，驗(yàn)正了改進(jìn)后的Quasi-PR控制器的有效性及正確性。

1 三相光伏并網(wǎng)逆變器控制結(jié)構(gòu)及策略

1.1主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1所示為基于L型濾波器的并網(wǎng)逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。其中，Udc為直流側(cè)電壓，V1～V6為開關(guān)管組成的三相半橋電路，交流側(cè)等效電阻Rs和交流側(cè)等效電感Ls組成了L型濾波器，Ea、Eb、Ec為三相對(duì)稱電網(wǎng)電壓。N為電網(wǎng)中性點(diǎn)，C為直流母線側(cè)電容[9]。

圖1 基于L型濾波器的三相并網(wǎng)逆變器拓?fù)銯ig.1 Topology of three phase grid connectedinverter with L-filter

定義開關(guān)函數(shù)Sk(k=a，b，c),若上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷，記Sk=1;若上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通，記Sk=0。根據(jù)圖1及基爾霍夫定律可得：

(1)

式中，UN為中性點(diǎn)N的電壓。

為實(shí)現(xiàn)三相電流解耦，經(jīng)Clarke變化，可得:

(2)

式中，Iα、Iβ、Uα、Uβ、Eα、Eβ分別為兩相電流、二相電壓和電網(wǎng)電壓。

式(2)為主電路的數(shù)學(xué)模型，其中，

(3)

(4)

1.2逆變器控制策略

圖2 基于L型濾波器并網(wǎng)逆變器的控制策略Fig.2 Control strategy of grid-connectedinverter with L-filter

2 Quasi-PR控制器的分析

傳統(tǒng)的PR控制器帶寬窄，當(dāng)電網(wǎng)頻率偏移時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤，且容易受到電網(wǎng)的干擾。Quasi-PR控制器在PR控制器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，通過犧牲特定頻率處的增益來增加帶寬，提高了抗電網(wǎng)頻率偏移能力，其傳遞函數(shù)為[13-15]:

(5)

式中，KP、KI分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)；ωc為截止角頻率,主要影響系統(tǒng)的帶寬；ω0為諧振角頻率。當(dāng)KP越大，非諧振頻率處的幅值就越大，而諧振角頻率處的幅值變化并不明顯；當(dāng)KI越大時(shí)，諧振角頻率處的增益就越大，對(duì)帶寬沒有影響。

Quasi-PR控制器增加了帶寬，在ω0處的幅值卻減小了，且系統(tǒng)存在靜差。為增加Quasi-PR控制器在諧振處的幅值及帶寬，本文對(duì)Quasi-PR進(jìn)行改進(jìn)，在其諧振部分增加一個(gè)零點(diǎn)，其傳遞函數(shù)為

(6)

圖3給出了KP=14,KI=20,ωc=2.5rad/s時(shí)，Quasi-PR控制器改進(jìn)前、后的波特圖。

圖3 Quasi-PR控制器改進(jìn)前、后的波特圖Fig.3 Bode diagram of Quasi-PR controllerand improved controller

由圖3可見，在諧振角頻率處，改進(jìn)的Quasi-PR控制器較Quasi-PR控制器的幅值和帶寬都有所增加。

逆變器在光伏并網(wǎng)控制中，改進(jìn)后的Quasi-PR控制器的電流內(nèi)環(huán)在α軸下系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的Quasi-PR控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram based on improvedQuasi-PR controller

圖中，I*(S)、I(S)分別為參考指令電流與實(shí)際并網(wǎng)電流；E(S)為電網(wǎng)電壓；GPWM為PWM環(huán)節(jié)傳遞函數(shù),

由圖4可得:

(7)

由圖3可知，在ω0處，改進(jìn)后的Quasi-PR控制器的增益遠(yuǎn)大于改進(jìn)前控制器的增益，故不需要通過調(diào)節(jié)KP、KI即可實(shí)現(xiàn)G′(S)GPWM(S)GR(S)的增益遠(yuǎn)大于1，避免了在KP、KI的調(diào)節(jié)過程中，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和抗干擾能力的影響。由于

G′(S)GPWM(S)GR(S)?1

(8)

在只考慮電網(wǎng)擾動(dòng)的情況下，對(duì)Quasi-PR控制器及改進(jìn)后的Quasi-PR控制器的傳遞函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得它們對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)波特圖如圖5所示。

圖5 電網(wǎng)擾動(dòng)時(shí)，Quasi-PR控制器改進(jìn)前、后的波特圖Fig.5 Bode diagram of Quasi-PR controller under power-line interference before and after improvement

由圖5可見，Quasi-PR閉環(huán)系統(tǒng)在諧振角頻率處的擾動(dòng)信號(hào)衰減至-36.4dB，改進(jìn)后的Quasi-PR在諧振角頻率處擾動(dòng)信號(hào)衰減至-72.4dB，故后者在抗電網(wǎng)電壓干擾上優(yōu)于前者。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證改進(jìn)后的Quasi-PR控制器的正確性及有效性，利用Matlab/Simulink對(duì)基于改進(jìn)的Quasi-PR控制器進(jìn)行三相光伏并網(wǎng)仿真研究，搭建了10kW光伏發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of the system

圖6給出了A相并網(wǎng)電流與電壓仿真結(jié)果圖。由圖可見，系統(tǒng)并網(wǎng)電流與并網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)了單位功率因素控制，驗(yàn)證了改進(jìn)后Quasi-PR控制器的有效性。

圖6 A相并網(wǎng)電流與A相電網(wǎng)電壓仿真圖Fig.6 Simulation diagram of phase currentand phase grid voltage

圖7給出了Quasi-PR控制器改進(jìn)前、后的電流跟蹤仿真圖。由圖可見，在相同控制條件下，Quasi-PR控制器在改進(jìn)前、后都能消除輸出電流跟蹤指令電流的相位誤差，但前者控制輸出電流跟蹤指令電流還存在著幅值誤差，而后者的幅值誤差則較小，從而證明了改進(jìn)后的Quasi-PR控制器的有效性。

圖8為在改進(jìn)后的Quasi-PR控制器控制下，仿真時(shí)間t=0.1s時(shí)，電網(wǎng)頻率由50Hz偏移到50.5Hz時(shí)的A相電流頻譜。

圖7 Quasi-PR控制器改進(jìn)前、后的電流跟蹤仿真結(jié)果Fig.7 Simulation diagram of tracking current in Quasi-PR controller before and after improvement

圖8 電網(wǎng)頻率由50Hz偏移至50.5Hz時(shí)的A相電流頻譜Fig.8 Spectrum of A phase current of power line frequency shift from 50Hz to 50.5Hz

由圖8(a)、(b)可見，在電網(wǎng)頻率偏移前，并網(wǎng)電流的總諧波失真(Total Harmonic Distortion)THD=0.78%，并網(wǎng)電流的諧波含量較小;而0.1s后，頻率偏移至50.5Hz，達(dá)到電網(wǎng)正常工作情況下的允許的最大偏移量0.5Hz，此時(shí)，并網(wǎng)電流的THD=1.39%<5%，完全滿足并網(wǎng)的要求。

4 結(jié) 語

本文在Quasi-PR控制器的諧振環(huán)節(jié)增加零點(diǎn)，利用波特圖分析對(duì)比了Quasi-PR改進(jìn)前后的控制靜差與抗電網(wǎng)干擾的作用，理論上證明了改進(jìn)后的Quasi-PR控制器的正確性及有效性。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的Quasi-PR控制器在控制電流靜差上效果較好；當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生偏移時(shí)，并網(wǎng)電流諧波能夠滿足并網(wǎng)要求，抗電網(wǎng)干擾能力較強(qiáng)。

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Three-Phase Photovoltaic Grid Based on Improved Resonant Controllers

WUZengqiang,ZOUHairong,WEIHao

(School of Electrical Engineering, Shanghai DianJi University, Shanghai 200240, China)

To make up the shortfalls of narrow bandwidth and weak ability against frequency deviation of proportion resonant controller. The shortage of the quasi-proportion resonant(Quasi-PR) controller is analyzed by Matlab/simulink. Zeros are added to the proportion link of a proportion resonant controller to improve the gain at the resonant frequency, and compared to a proportion resonant controller. The result shows that the described resonant controller can improve system response time, and increase the ability of resisting interference from power lines, reduce current track error.

photovoltaic inverter; quasi-proportion resonant controller; harmonic compensation; frequency deviation

2014 - 06 - 28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51377104)

吳增強(qiáng)(1986-)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)，E-mail: 393479225@qq.com

2095 - 0020(2014)05 -0263 - 06

TM 464；TM 615

A