基于改進型PI控制級聯單相光伏逆變器的研究與仿真

姜婷婷，李先允，彭 浩，周 宇，楊 麗

（1.南京工程學院 電力工程學院，江蘇 南京211167；2.江蘇省電力公司檢修分公司 江蘇 連云港222000）

基于改進型PI控制級聯單相光伏逆變器的研究與仿真

姜婷婷1，李先允1，彭 浩2，周 宇1，楊 麗1

（1.南京工程學院 電力工程學院，江蘇 南京211167；2.江蘇省電力公司檢修分公司 江蘇 連云港222000）

傳統PI控制策略在光伏逆變器運用廣泛，但傳統PI控制大都因為參數值不精確，而造成波形畸變嚴重，電能質量下降，因此，提出了改進型PI控制的級聯式單相光伏逆變器。本文介紹了級聯單相光伏逆變器系統及其逆變器數學模型，介紹了逆變器參數計算方法,針對傳統PI控制的不足，改進了PI控制，此控制方法可實時對參數合理動態調整，降低了諧波，提高了電能質量。在Simulink環境中搭建級聯單相光伏逆變器模型，基于傳統PI控制和改進型PI控制進行了仿真，通過仿真結果對比，充分地說明了改進型PI控制較傳統PI控制有較大的優越性。

光伏并網；改進型PI控制；單相光伏逆變器；仿真

能源短缺已嚴重威脅了人類的生存和發展，因此開發,利用新能源具有重要的戰略意義，太陽能以其獨具的可再生無污染優勢受到人們的青睞，光伏并網發電是利用太陽能的有效方式之一，而并網逆變器作為光伏發電系統的核心部分，其控制系統的好壞對于整個并網系統的性能具有重大的影響，光伏并網發電系統要求并網逆變器能夠輸出正弦波電流，實時跟蹤電網電壓頻率和相位，而且電流的總畸變失真要低，以減小對電網諧波的影響［1-3］。

對于光伏逆變器的研究也越來越受到關注，而控制策略是逆變器最核心的技術，目前，主要采用滯環比較控制，PI控制，無差拍控制，滑模變結構控制，重復控制等控制策略［4-7］。其中PI控制策略是工程上廣泛應用且較為成熟的方法［8］，該方法簡單、容易實現、動態性能好，但是PI控制可能因為參數初值選擇不佳造成誤差較大的問題,影響電能質量。本文提出了改進型PI控制的級聯式單相光伏逆變器，可實時對參數進行合理動態調整，提高了系統的動態性。通過設計級聯式單相光伏逆變系統，并在 Simulink環境中搭建模型進行仿真，取得了良好的逆變控制效果，仿真結果充分地說明了改進型PI控制動態性能較好。

1　級聯單相光伏逆變器系統及其逆變器數學模型

1.1級聯單相光伏逆變器系統主電路

太陽能電池陣列將接收到的太陽能量直接轉換為直流電壓，其次DC/DC電路升壓，然后經過逆變器的輸出端輸出高頻SPWM波,其基波為正弦波，經過電感濾波后向負載輸入正弦波電流。

圖1所示為光伏發電系統主電路控制框圖。

圖1　光伏發電系統主電路控制框圖

1.2級聯單相光伏逆變器電路數學模型

本文采用如圖2所示逆變電路及濾波電路，不考慮晶閘管關斷開通時間、濾波飽和等。

圖2　逆變電路及濾波電路

設開關函數：

逆變電路輸出端到濾波電路輸出端之間的傳遞函數為：

設開關函數：

可得到逆變后得到的電壓：

由于開關函數的存在，式（2）是不連續的，在一個開關周期內對其進行平均，可以得到：

設PWM波的調制波電壓為Uref。雙極性SPWM控制方式的占空比為：

并且可以得到開關函數S′的平均值：

由上可得，逆變電路和濾波電路的開環傳遞函數：

本文結合工程經驗，取濾波電感L為2 mH，取濾波電容C為6 μF。

2　級聯單相光伏逆變器控制系統

PID控制算法以原理簡單，參數易于設定，得到了廣泛的應用，成為最為經典的控制算法。在當今應用的工業控制器中，有半數以上采用了PID或者變形PID控制方式。本文也采用了改進PID控制策略，以提高系統動態性能。

2.1傳統PI控制參數選擇的局限性

對于傳統PI控制算法，其時域方程為：

式中，kp為比例控制參數，ki為積分控制參數，y（t）為PI控制器輸出的控制信號，e（t）為輸入PI控制器的誤差。

由上可知，輸出的控制信號是由控制參數，決定的，然而在實際運用中，控制參數，很難精確計算，總會存在誤差，目前主要依賴于人工調節方法，此方法不僅耗費人力物力，而且控制參數精確度調節并不理想。

2.2改進PI控制算法

本文通過對傳統PI控制改進，使其可以自動調節參數，改善輸出波形。改進型的PI控制框圖如3所示。

圖3　改進PI控制框圖

控制器A采用經典的PI控制，在第k個周期，其控制參數為kp（k）、ki（k）。在第k+1個周期內，將輸出電壓與參考電壓進行比較，得到第一個周期的電壓誤差E（k+1）。誤差信號E（k+1）被送入誤差比較模塊。在誤差比較模塊中，誤差信號E（k+1）與上一個周期（第k個周期）的誤差信號E（k）進行比較，產生誤差變化信號：

誤差變化信號△E（k+1）被送入控制器B中。控制器B的作用是調整控制器A中PI控制的控制參數。根據式（9），控制參數kp、ki在控制器B中進行調整：

其中：sp與si為控制參數周期調整系數，一般可以取：sp為0.1，si為0.01。

同理，將此次的誤差信號與上一周期的誤差信號進行比較，控制器C根據誤差信號的變化情況，向控制器D送出新的PI控制參數，經由控制器D計算后，送至PWM生成器，生成PWM信號，驅動IGBT工作。

改進PI算法可對參數自我調整，改善波形，提高電能質量，本文逆變電路控制方式采用逆變電路采用電壓環、電流環雙閉環控制，均采用改進的PI控制器。電壓外環控制輸出電壓跟蹤基準正弦波電壓的變化，其改進型PI控制器control的輸出，作為電流的給定值。電感電流內環控制電感電流跟蹤PI控制器control1輸出的電流給定值，提高逆變器系統的動態響應能力。

3　逆變器仿真及分析

本文仿真主要分為兩個方面，首先在Simulink搭建了基于傳統PI控制光伏逆變器、改進PI控制光伏逆變器，通過波形分析，比較改進PI控制光伏逆變器效果。其次在Simulink搭建了級聯式光伏逆變器系統仿真模型，查看進型PI控制算法在并網模型中效果。本文參數都采用以上已給出的參數，若沒有給出，則采用工程中常用參數。

3.1傳統PI控制及改進PI控制算法仿真結果對比

本文在Simulink搭建了基于傳統PI控制光伏逆變器、改進PI控制光伏逆變器，仿真結果如圖4、5所示。

圖4　傳統PI控制仿真結果

圖5　改進PI控制仿真結果

如圖4所示輸出電壓仿真波形可知，由于初值設置并不準確，輸出波形與參考值一直存在誤差，由此可知，傳統PI控制不能自動調節不合理參數，可能會造成電能質量下降。如圖5所示改進PI控制仿真結果可知，由于控制參數初值不合理，剛開始輸出波形與參考波形有誤差，經過半個周期，PI控制調整器自動調節參數，經調節至0.03 s時，輸出波形與參考波形誤差基本可以忽略。由上分析可知，改進PI控制算法可以自動調整控制參數，克服控制參數初值選擇不合理造成輸出波形不準確問題，相比傳統PI控制具有較大優勢。

3．2級聯式光伏逆變器系統仿真結果及分析

本文在Simulink搭建了級聯式光伏逆變器系統仿真模型,通過仿真，波形如圖6所示。

圖6　級聯式光伏逆變器系統仿真結果

如圖6所示可以看出，并網電流在第一個周期，出現了較大波動。但經由控制器調整后，誤差得以迅速縮小，并網電流呈正弦波形，與電網電壓同頻同相。說明改進型PI控制算法在并網模型中可取得良好的效果。

圖7　并網電流的FFT分析

通過Simulink中powergui模塊中的FFT分析功能也可以對輸出電流進行分析。如圖7所示，從參數調整后，0.02 s開始，檢查4個周期的波形，其并網電流諧波THD=4.42%，由FFT分析可知，諧波明顯下降，因此，級聯式光伏逆變器系統使用改進PI控制可提升電能質量。

4　結論

傳統PI控制策略在光伏逆變器運用廣泛，但傳統PI控制往往因為參數值不精確，而造成波形畸變嚴重，電能質量下降。本文通過對傳統PI控制進行改進，可實時調節參數，改善波形輸出，提高了電能質量，通過在Simulink搭建了級聯式光伏逆變器系統仿真模型，由仿真結果分析得出通過參數動態調整，基于改進型PI控制級聯式光伏逆變器系統有效降低諧波并改善了輸出波形，驗證了改進型PI控制較傳統PI控制具有較好的優越性。

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Research and simulation of cascaded single-phase photovoltaic inverter based on modified PI control

JIANG Ting-ting1,LI Xian-yun1,PENG Hao2,ZHOU Yu1,YANG Li1
（1.School of Electric Power Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China；2.Department of Jiangsu Electric Power Company's Maintenance Branch，Lianyungang 222000,China）

Traditional PI control strategy is widely used in photovoltaic inverter,but because of inaccurate parameter values of the traditional PI control,it's caused serious waveform distortion and power quality decline mostly.Therefore,it proposes a modified cascaded PI control single-phase photovoltaic inverter.This paper introduces the cascade of single-phase photovoltaic inverter system,inverter mathematical model and the method of inverter parameter calculation.Aiming at the shortcomings of traditional PI control,it modifies PI control which can adjust dynamically parameters in real time and reduce the harmonic and improve power quality.It builds a cascade of single-phase photovoltaic inverter model in the Simulink environment,and it simulates based on the traditional PI control and modified PI control.By comparison with the simulation results,it fully illustrates that the modified PI control than traditional PI control has great superiority.

photovoltaic grid；modified PI control；single-phase photovoltaic inverter；simulation

TN99

A

1674－6236（2016）13-0129-04

2015-07-16稿件編號：201507124

江蘇省2014年度普通高校研究生實踐創新計劃項目（SJZZ14-0201）

姜婷婷（1991—），女，江蘇連云港人，碩士研究生。研究方向：電力系統運行與控制。