基于比例諧振控制器的逆變控制系統研究

鄭喻，牛歡歡，付登昊

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

基于比例諧振控制器的逆變控制系統研究

鄭喻，牛歡歡，付登昊

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

針對傳統的PI控制不能實現正弦信號的無差調節，提出了基于比例諧振控制控制器的電網電流外環、濾波電容電流內環的雙環控制策略，通過在matlab/simulink中搭建仿真模型來驗證所提出的控制策略的正確性和可行性。

比例諧振；電流外環；電壓外環

1 引言

隨著光伏發電系統技術的不斷改進和應用，對其輸出電壓波形的要求也越來越高，然而高質量的電壓輸出波形不僅要穩態精度高而且要響應速度快[1，2]，因此，對三相光伏并網逆變系統控制器的研究就顯得尤為重要。通常研究較多的是兩相旋轉坐標下的PI控制，因為這種控制的控制量是旋轉坐標系下的直流量，相對而言控制比較簡單，但是由于PI控制在兩相旋轉坐標下的系統dq軸間是相互耦合的，要想實現無功有功的獨立控制，就需要對系統進行解耦控制，而解耦控制的精確與否將直接影響系統的控制性能，這將使得控制系統的設計變得復雜[3]。因此，本文將對基于比例諧振(PR)控制器[4]進行研究，這種控制方法是將三相光伏并網系統通過Clark變化轉換到兩相靜止坐標系αβ下，此種方法減少了dq旋轉坐標變換和復雜的解耦控制，使控制器設計變得簡單。

2 基于雙電流環的并網控制策略

2.1 系統結構

在光伏并網逆變系統中，電網可以近似等效為一個無窮大的電壓源，這樣整個光伏發電系統就可以看作是電壓源與電壓源的并聯，為了保證系統并網的穩定運行，需要保證逆變器輸出電壓與電網電壓相位和頻率的一致，因此本文所采用的電網電流外環電容電流內環的雙電流控制方法，只要保證從逆變電路輸出的進網電流跟隨電網電壓的變化，與電網電壓保持頻率和相位相同，即可實現光伏發電系統與電網并列穩定運行的目的，圖1是三相光伏并網逆變系統的結構框圖。

2.2 控制器參數的選取

為了使系統穩定運行，就需要為內外環控制器選擇合適的參數。由于電流控制的響應速度比電壓控制的響應速度快很多，雙電流控制器的設計就不能像電壓、電流控制那樣分別設計內、外環控制器的參數。因此，對于電網電流外環、電容電流內環的雙電流環控制結構采用極點配置的方法[5-6]。

圖1 光伏系統雙環控制結構圖

本文采用了基于并網電流外環，電容電流內環的雙閉環控制策略，圖2是控制結構框圖，圖中G1=Kp+Kis/(s2+w02)為外環控制器，實現系統無誤差的跟蹤并網電流正弦參考信號；G2(s)=Kc為內環控制器，其作用是增加系統的穩定性，更加自由的分配閉環極點的位置，增大系統阻尼比的選擇范圍。

圖2 雙閉環控制框圖

根據圖4.11，可得系統的開環傳遞函數為：

(1)

式中：

(2)

一般情況下，由于慣性時間常數T很小，可以忽略不計，由此可得到系統的閉環傳遞函數為：

(3)

由此，得到系統的閉環特征方程為：

D(s)=B0s4+B1s3+B2s2+A0s+A1

(4)

(5)

比較式(4)和式(5)，得到：

(6)

由式(2)看B2/B0出只與LCL濾波器參數有關，因此當LCL濾波器參數確定了之后，B2/B0為一定值。因此根據給定的m、n、ξ、ωn中的任意三個，由式(6)中的B2/B0式便可求出另一個，再將m、n、ξ、ωn代入式(6)即可求出電流雙環內外環控制器的參數。最后，將求出的控制器參數代入勞斯-赫爾維茨穩定判據式(7)。

(7)

設計的控制器參數只要滿足式(7)，系統就能穩定的運行。

3 三相光伏并網逆變系統仿真分析

為了驗證基于比例諧振控制的正確性，在Matlab/simulink中搭建系統的仿真模型，如圖3所示。仿真參數設置為：輸入直流電壓Udc為700V，電網電壓為220V/50Hz，光伏發電系統額定功率Pn為10kVa，開關頻率fsw為5kHz，逆變器側電感L1為4mH，濾波電容C2為20uF，網側電網L2為1mH。圖4為PR控制器的仿真模型，其選取的控制器參數為：KP=0.56，KR=50.16，KC=38.85。

本文中所采用的兩相靜止坐標系下的PR控制相比于兩相旋轉坐標系下的PI控制，不需要復雜的旋轉坐標變換和解耦控制就可以實現系統的有功和無功的單獨控制。圖5～圖7是基于準比例諧振的并網控制的仿真結果，從圖中可以看出，并網電流電壓都是以一個穩定的幅值進入電網,系統的有功和無功之間不存在耦合，進網電流和電網電壓始終保持著同頻同相，系統功率因數接近1，從而說明了文章中所采用的控制策略的正確性。

圖3 三相光伏并網逆變仿真模型

圖4 PR控制器的Matlab仿真模型

圖5 進網電壓電流有效值

圖6 有功無功曲線

3 結論

本文通過說明PI控制不能實現正弦信號的無差調節，從而引入PR控制器，并采用基于電網電流外環、濾波電容電流內環的雙環控制策略，通過在Matlab/Sinmlink中搭建了三相光伏逆變并網系統的模型并進行了仿真，驗證了基于電網電流外環、電容電流內環的雙電流環控制策略，不僅能夠保證逆變器輸出電流與電網電壓同頻同相，實現單位功率因數并網，而且三相系統在兩相靜止坐標系下不存在耦合，無需復雜的解耦，再配合PR控制器，就能夠很好地實現系統有功和無功的獨立控制。

圖7 A相并網電壓電流波形

[1] 熊健，周亮，張凱，等.一種高性能的單相逆變器多環控制方案[J].電工技術學報，2006;21(12): 79-83.

[2] 沈亞瑞，宋建成.基于雙閉環控制的單相逆變器研究[J].電氣開關，2012,21(4): 21-24.

[3] 武健，徐殿國，何娜.并聯有源濾波器輸出LCL濾波器研究[J] .電力自動化設備，2007,27(1)：17-20.

[4] WANG T,YE Z H,SINHA G,et al.Output filter design for a grid-interconnected three-phase inverter[C].Power Electronics Specialists Conference.Acapulco,Mexco:[s.n]s,2003:779-784.

[5] 范心明.基于SIMULINK的SVPWM仿真[J] .電氣傳動自動化，2009,31(3)：19-22.

[6] 劉家軍,姚李孝，吳添森,等.PSCAD/EMTDC中SVPWM算法的實現[J] .電力系統保護與控制，2010,38(18)：120-124.

Research on an Inverter Control System Based on the Proportional Resonant Controller

ZHENGYu,NIUHuan-huan,FUDeng-hao

(College of Electrical Engineering & New Energy,China Three Georges University,Yichang 443002,China )

For the conventional PI control cannot achieve the non-error adjustment of sinusoidal signal,is proposed based on the proportion resonance control controller grid current outer loop,inner ring of the filter capacitor current inner double-loop control strategy by building a simulation model in the MATLAB/Simulink to verify the correctness and feasibility of the proposed control strategy.

proportion resonance;current outer loop;voltage outer loop

2014-10-14

牛歡歡(1987-)，女，碩士生，研究方向：光伏發電系統控制。

1004-289X(2015)05-0045-03

TM57

B