基于改進重復控制的光伏并網(wǎng)逆變器綜合控制策略

汪篤紅， 康英偉

(1. 上海電力學院 自動化工程學院， 上海 200090；2. 上海發(fā)電過程智能管控工程技術研究中心， 上海 200090)

基于改進重復控制的光伏并網(wǎng)逆變器綜合控制策略

汪篤紅1,2， 康英偉1,2

(1. 上海電力學院 自動化工程學院， 上海 200090；2. 上海發(fā)電過程智能管控工程技術研究中心， 上海 200090)

針對光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的非線性特性，在固定參數(shù)準比例諧振(PR)控制方法的基礎上，提出了一種準PR控制和重復控制相結合的綜合控制策略；并對傳統(tǒng)的重復控制進行了改進，在內(nèi)模環(huán)節(jié)中引入低通FIR數(shù)字濾波器，簡化了重復控制器的設計，提高了對系統(tǒng)諧波的抑制能力。Matlab/Simulink仿真實驗結果表明：與準PR控制方法相比，準PR控制和重復控制相結合的綜合控制策略并網(wǎng)電流具有較低的諧波含量，可以獲得高質(zhì)量的并網(wǎng)電流波形，且系統(tǒng)具有較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

單相并網(wǎng)逆變器； 準比例諧振控制； 重復控制； 諧波抑制

光伏發(fā)電技術是一種利用半導體界面的光生伏特效應將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電技術，其發(fā)電過程簡單，無需消耗燃料，不會產(chǎn)生噪聲和污染，已成為新能源和可再生能源利用技術的重要發(fā)展方向[1]。但是，目前光伏發(fā)電系統(tǒng)存在著初期投資大、盈利水平不強的缺點，限制了其快速應用及普及。逆變器作為光伏發(fā)電控制系統(tǒng)最核心的部件，其運行效率決定了整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率與經(jīng)濟效益。 因此，研究逆變器的結構與控制方法，對于提高光伏發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率、降低投資成本，及系統(tǒng)設備容量的選擇與配置均具有重要的意義。

近年來，數(shù)字化逆變器控制技術引起了研究者們越來越多的關注，然而，實際應用中應用較多的是重復控制方法[2]。將單一的重復控制與其他控制方法，如模糊控制、無差拍控制等結合使用，能夠避免單一重復控制動態(tài)性能差的缺點，較好地實現(xiàn)系統(tǒng)對整個周波的動態(tài)響應[3]。

在單相并網(wǎng)逆變器的電流控制中，傳統(tǒng)比例積分(Proportional Integral, PI)可有效改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出，但無法消除系統(tǒng)輸出電流與電網(wǎng)電流的偏差；比例諧振(Proportional Resonant, PR)控制在諧振頻率處增益無窮大，從理論上可實現(xiàn)基波電流的無靜差跟蹤，但該控制方法依賴模擬和數(shù)字化處理技術的精度，且當電網(wǎng)頻率波動導致基波頻率與PR諧振頻率不匹配時，系統(tǒng)控制效果較差，甚至出現(xiàn)控制失效的情況[4]。針對這一問題，文獻[5]中提出改進的準PR控制方法，通過增加選頻寬度，可保證對基波信號的跟隨性；但當系統(tǒng)出現(xiàn)多個頻次諧波時，需加入相應數(shù)量的PR控制器，不利于實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活控制[6]；而采用基于內(nèi)?？刂评碚摰闹貜涂刂?，僅需一個內(nèi)模控制器就能抑制各次諧波[7]。針對傳統(tǒng)重復控制的動態(tài)響應特性差的問題，本文提出一種融合改進重復控制和準PR控制的策略。改進重復控制用于改善逆變器的穩(wěn)態(tài)輸出波形，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，有效抑制電網(wǎng)的各次諧波；通過引入低通FIR(Finite Impulse Response)數(shù)字濾波器簡化了其控制器的設計。準PR控制用于減小電網(wǎng)電壓頻率波動時輸出電流的穩(wěn)態(tài)誤差，實現(xiàn)對基波信號進行無靜差跟蹤,提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度。理論分析和仿真實驗說明，運用該復合控制策略可獲得高質(zhì)量的并網(wǎng)電流波形，并達到較好的控制效果。

1 并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)主電路結構

電壓源型逆變器作為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)最常用的變流器，其目的是保證輸出電流頻率、相位與電網(wǎng)電壓一致，以實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，或?qū)崿F(xiàn)對交流側(cè)有功、無功功率的控制。本文僅對前者進行研究，選取單相電壓源型逆變器為研究對象，其拓撲結構如圖1所示。

圖1 并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結構圖

1.2 系統(tǒng)模型及其控制策略

根據(jù)圖1可得到其電流控制環(huán)節(jié)結構框圖如圖2所示。圖中,K為逆變橋傳遞函數(shù);GF(s)=1/(sL+R)為輸出濾波器數(shù)學模型。

本文提出一種準PR控制和改進重復控制的綜合控制方案，實現(xiàn)對電流控制器的改進，以期達到更好的控制效果，主要包含以下兩個部分。

圖2 電流環(huán)控制模型圖

(1) 準PR控制。減小電網(wǎng)電壓頻率波動時輸出電流的穩(wěn)態(tài)誤差，實現(xiàn)對基波信號進行無靜差跟蹤，并提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，通過融合重復控制方法在很大程度上解決其工頻諧波抑制能力差的問題。

(2) 改進重復控制。抑制系統(tǒng)的各次諧波，改善逆變器的穩(wěn)態(tài)輸出；通過引入低通FIR數(shù)字濾波器簡化了其控制器的設計，提高了諧波抑制能力；通過與準PR控制結合較好地解決傳統(tǒng)重復控制所存在的動態(tài)響應特性差的問題。

圖3 綜合控制方案結構圖

2 準PR控制

PR控制器是基于內(nèi)模原理的，由比例調(diào)節(jié)器和諧振調(diào)節(jié)器兩部分構成[10]。根據(jù)內(nèi)模原理，若將產(chǎn)生某一參考指令的模型植入到穩(wěn)定的控制系統(tǒng)中，則可以實現(xiàn)對該指令的無靜差跟蹤。PR控制器的傳遞函數(shù)為

(1)

式中,kP為比例增益系數(shù)；kR為積分增益系數(shù)，與峰值增益成正比，起減小穩(wěn)態(tài)誤差的作用;通常電網(wǎng)頻率f=50 Hz，由2πf可確定諧振頻率ω0=314 Hz。

然而，PR控制器的控制效果依賴于固定的電網(wǎng)基波頻率，為提高其性能，需要對PR控制器進行改進，引入準PR控制方法，其傳遞函數(shù)為

(2)

式中,ωc為截止頻率。

傳遞函數(shù)的輸出特性與參數(shù)kP、kR、ωc的取值有關?？紤]到控制器傳遞函數(shù)增益與kR取值成正比，取kR=100；ωc/π為控制帶寬，設帶寬為3.2，可計算得到ωc=10 Hz。根據(jù)式(1)、(2)，分別取kP為10、20，得到PR控制器與準PR控制器幅頻特性對比圖如圖4所示。

(a) PR控制方法

(b) 準PR控制方法

由圖4可見，采用PR控制方法，隨著kP取值的增大，控制器在電網(wǎng)基頻處的增益也隨之變大，而對系統(tǒng)帶寬幾無影響；而采用準PR控制方法后，控制器帶寬明顯改善，且相角裕度為無窮大。準PR控制的這一特性能有效解決電網(wǎng)電壓頻率波動對諧振點增益的影響，削弱控制器對電網(wǎng)頻率的敏感程度，提高基波信號的無靜差跟蹤效果?；诖耍疚倪x取kP=20。

3 改進重復控制技術

3.1 重復控制原理

重復控制技術能夠極大降低交流系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差和總諧波失真(Total Harmonic Distortion, THD)[11]，在逆變器控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。一方面，重復控制利用重復信號發(fā)生器內(nèi)模，可實現(xiàn)不同頻率擾動信號的逐周期積分控制；另一方面，逆變器由于自身的死區(qū)效應及非線性負載會產(chǎn)生畸變，應用重復控制可以明顯改善這一問題[12]。圖5所示為常用的重復控制系統(tǒng)框圖。

圖5 常用的重復控制系統(tǒng)框圖

圖中，d(z)為周期性擾動；Q(z)為輔助補償器；GIF(z)為受控對象函數(shù)。虛線框內(nèi)表示重復控制器部分，由內(nèi)模環(huán)節(jié)和輔助補償器兩部分構成。陰影部分代表內(nèi)模環(huán)節(jié)，能夠產(chǎn)生周期性參考信號;而輔助補償器通過對控制對象的改造，可增大系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。重復控制器工作原理如下：控制器的輸出隨周期性重復出現(xiàn)的誤差信號累加，而當某一周期內(nèi)沒有誤差時，控制器依然維持上一周期的波形不變，并周期性地輸出。

3.2 改進重復控制器的分析與設計

雖然上述的直接重復控制方法應用在周期性擾動的系統(tǒng)中，具備縮小靜差及消除系統(tǒng)相位誤差等優(yōu)點[13]，但實際過程中應用較多的是改進重復控制技術，主要有以下原因：① 直接重復控制方案需要多個基波周期時間才能有效抑制系統(tǒng)擾動，其動態(tài)響應較差；② 引入輔助補償器Q(z)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是無法實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤[14]。

假設Q(z)z-N與理想的延時環(huán)節(jié)z-N0相同，則系統(tǒng)將具有極低的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差和THD?；谠摻Y論，則要求延時環(huán)節(jié)和Q(z)同時具備線性相頻特性，且Q(z)還應具有低通濾波的特性[15]。在數(shù)字控制中，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器契合這兩個要求，因此，引入低通FIR數(shù)字濾波器來設計低通內(nèi)模系數(shù)，不會給系統(tǒng)性能帶來很大影響。

FIR濾波器中的算法實際上是一種乘法累加運算，其傳遞函數(shù)為

(3)

式中，M為FIR的階數(shù)；ai為濾波器單位脈沖響應序列；z-i為延遲環(huán)節(jié)。本文所用的FIR濾波器傳遞函數(shù)為

(4)

式中，

(5)

q(k)為有限長單位脈沖響應序列;N0為理想延遲環(huán)節(jié)單位基波周期內(nèi)的采樣次數(shù)。

基于式(3)～(5)可以設計出滿足控制系統(tǒng)相頻特性要求的FIR濾波器。在FIR濾波器的設計中，在式(5)的基礎上可采用傳統(tǒng)設計方法。為保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，通常要求濾波器的轉(zhuǎn)折頻率fcor為系統(tǒng)開關頻率fsw的1/10～1/5，且在數(shù)字控制系統(tǒng)中fsw和采樣頻率fs的比值n應為自然數(shù)，即

(6)

FIR濾波器的過渡帶越小，意味著濾波效果越好。考慮到矩形窗函數(shù)法具有最小的過渡帶[16]，故本文選用矩形窗函數(shù)法，調(diào)幅信號的帶寬為

(7)

如已知濾波器的階數(shù)M，可由式(7)得到其過渡帶的數(shù)值。N0-N的確定應根據(jù)實際電網(wǎng)頻率，在(M-2)/2附近取值。

4 仿真分析

4.1 系統(tǒng)參數(shù)確定

(1) 在準PR控制中，選取參數(shù):kP=20，kR=100，ωc=10 Hz，ω0=314 Hz。

(2) 在改進的重復控制中，參數(shù)選擇非常關鍵，只有選取合適的參數(shù)，才能保證重復控制器達到較好的控制效果。由于被控對象模型已確定，在此可令補償器C(z)=1/GIF(z)。根據(jù)本文系統(tǒng)的模型參數(shù)設計FIR濾波器所需參數(shù)：fs=10 kHz,電網(wǎng)電壓的額定頻率為50 Hz,FIR濾波器的通帶取為400 Hz,BWt=π/5，則由式(7)可求得M=9;取實際電網(wǎng)頻率為49.9 Hz，則N0=200.4；選取D=(M-2)/2=3.5，則N≈197。最后根據(jù)式(5)求取該濾波器的系數(shù)值。

4.2 仿真結果

在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中采用圖1所示的電路結構，搭建了單相光伏并網(wǎng)逆變器的仿真模型。單相并網(wǎng)逆變器的仿真參數(shù)如下：額定輸出功率和輸出電壓分別為5 kW、220 V，UDC=400 V，額定功率因數(shù)為0.8，輸出濾波電感為700 μH，輸出濾波電容為36 μF，等效阻尼電阻為0.1 Ω，PWM開關頻率取為10 kHz，設置開關死區(qū)時間為5 μs。在仿真過程中，在額定電壓基礎上疊加150、210和250 Hz的低值電壓模擬電網(wǎng)中的諧波分量，并分別運用準PR控制與本文所提綜合控制策略進行對比仿真分析，輸出并網(wǎng)電流Ig增益進行放大10倍處理，以便于觀察，其仿真結果如圖6所示。由圖可見：① 準PR控制能夠?qū)崿F(xiàn)正弦參考信號有效跟蹤，但由于電網(wǎng)電壓存在擾動及開關存在死區(qū)的影響，使得輸出電流的諧波含量比較大，即其工頻諧波抑制能力較差；② 采用本文所提出的綜合控制策略，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和諧波抑制能力得到有效改善。其中，準PR控制起到對參考信號進行無靜差跟蹤的作用，改進的重復控制可以抑制電網(wǎng)諧波及開關死區(qū)的影響，獲得了高質(zhì)量的并網(wǎng)電流波形。

(a) 準PR控制

(b) 綜合控制

不同控制策略下并網(wǎng)電流諧波分析如圖7所示。

(a) 準PR控制

(b) 綜合控制

由圖7可見，滿功率運行時，采用準PR控制時,THD為4.77%；而采用綜合控制策略THD=僅為1.06%。顯然，采用綜合控制策略時，系統(tǒng)對諧波的抑制能力更強，可獲得高質(zhì)量的并網(wǎng)電流。

5 結 語

本文提出了一種準PR控制和重復控制相結合的光伏并網(wǎng)逆變器綜合控制策略。該方法保留了準PR控制對交流信號無靜差跟蹤和重復控制抑制電網(wǎng)各次諧波的優(yōu)點，通過重復控制和準PR控制結合較好地解決了傳統(tǒng)重復控制中存在的動態(tài)響應特性差的問題，獲得了高質(zhì)量的并網(wǎng)電流波形。最后，通過進行仿真對比實驗，結果表明采用本文所提的綜合控制策略，使并網(wǎng)電流具有較低的諧波含量，且具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。

[1] 李安定, 呂全亞. 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程 [M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2012:156-160.

[2] 陳旭紅, 單鴻濤, 鹿婷. 基于重復控制技術的光伏逆變器并網(wǎng)控制策略研究 [J]. 電子技術應用, 2008,34(7):72-75.

[3] 周雪松, 宋代春, 馬幼捷, 等. 光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略 [J].華東電力, 2010,38(1):80-83.

[4] 劉波, 楊旭, 孔繁麟, 等. 三相光伏并網(wǎng)逆變器控制策略 [J]. 電工技術學報, 2012,27(8):64-70.

[5] 趙清林, 郭小強, 鄔偉揚. 單相逆變器并網(wǎng)控制技術研究 [J]. 中國電機工程學報, 2007,27(16):60-64.

[6] 鄧宇恩, 栗時平, 劉桂英, 等. 三相LCL光伏并網(wǎng)逆變器的準比例諧振重復控制研究 [J]. 電力科學與工程, 2015,31(10):33-39,49.

[7] 楊蘋, 鄭遠輝, 許志榮, 等. 基于準比例諧振積分與重復控制的光伏并網(wǎng)逆變器研究 [J]. 可再生能源, 2015,33(7):993-998．

[8] 毛艷芳, 熊旋, 陳旭, 等. 單相逆變器雙環(huán)控制改進策略研究 [J]. 電測與儀表, 2014,51(8):69-74.

[9] 王斯然, 呂征宇. LCL型并網(wǎng)逆變器中重復控制方法研究 [J]. 中國電機工程學報, 2010,30(27):69-75.

[10] 曾曉生. 基于準比例諧振控制的光伏并網(wǎng)逆變器的研制 [D]. 廣州: 華南理工大學, 2012:34.

[11] 唐勇奇, 趙葵銀. 改進重復控制技術在逆變器中的應用 [J]. 電氣傳動,2006,36(5):37-39.

[12] 魏艷芳, 趙莉華, 榮先亮. 基于PI控制和重復控制的100 kW隔離型光伏逆變器 [J]. 可再生能源, 2012,30(4):6-9.

[13] 陳凱, 張杰. 重復控制逆變器并網(wǎng)電流控制技術研究 [J]. 中國測試, 2015,41(3):91-95.

[14] 陳東. 并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中的重復控制技術及其應用研究 [D]. 杭州: 浙江大學, 2012:29.

[15] 騰國飛, 肖國春, 張志波, 等. 采用重復控制的LCL型并網(wǎng)逆變器單閉環(huán)電流控制 [J]. 中國電機工程學報, 2013,33(24):13-21.

[16] 張建偉, 展雪梅. FIR數(shù)字濾波器的設計與實現(xiàn) [J]. 無線電工程, 2010, 40(6):54-56.

Integrated Control Strategy of PV Grid Inverter with Improved Repetitive Control

WANGDuhong1,2,KANGYingwei1,2

(1. College of Automation Engineering, Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090, China； 2. Shanghai Engineering Research Center of Intelligent Management and Control for Power Process, Shanghai 200090, China)

For nonlinear characteristics of a PV grid-connected inverter, a comprehensive control strategy combining quasi-proportional resonant(PR) control with repetitive control is proposed based on fixed parameters of the quasi-PR control. The conventional repetitive control is improved, an FIR low-pass digital filter introduced into the mold segment, the repetitive controller design simplified, and the ability of suppressing harmonics improved. Simulation with Matlab/Simulink shows that, compared with quasi-PR control, the proposed integrated control has a lower harmonic content, and can get high quality of net current waveforms. The system has good dynamic and steady-state performance.

single-phase grid-connected inverter; quasi-proportional resonant (PR) control; repetitive control; harmonic suppression

2017 -01 -09

汪篤紅(1991-)，男，碩士生，主要研究方向為分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術，E-mail: shiepwdh91@163.com

2095 - 0020(2017)02 -0073 - 06

TM 464

A