基于改進PR控制的多功能逆變器控制策略

劉亞峰，陳 羽，彭 克，劉國棟

（山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049）

基于改進PR控制的多功能逆變器控制策略

劉亞峰，陳 羽，彭 克，劉國棟

（山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049）

多功能并網(wǎng)逆變器（multi-functional grid-tied inverter，MFGTI）在實現(xiàn)分布式電源（Distributed Generation，DG）并網(wǎng)的同時能夠兼具電能質量治理的功能，相比功能單一的并網(wǎng)逆變器，具有更好的應用前景。針對分布式電源的多功能并網(wǎng)逆變器進行研究，針對傳統(tǒng)PR控制器，提出一種基于改進PR控制的多功能逆變器跟蹤控制方法，除了并網(wǎng)控制外還兼具了濾除諧波電流的功能。設計了應用多層PIR控制器的雙環(huán)PQ逆變器控制，使并網(wǎng)的分布式電源除了提供功率以外還能夠有效濾除特定次數(shù)諧波。建立該控制系統(tǒng)的數(shù)學模型并且利用DIGSILENT／PowerFactory對其進行仿真，驗證了該控制系統(tǒng)的正確性和有效性。仿真結果表明，所提出的多功能逆變器除了能夠改善并網(wǎng)點的電能質量，還能夠滿足微網(wǎng)的要求，對并網(wǎng)點進行PQ控制。

分布式發(fā)電；諧波補償；多功能逆變器；PIR控制

0 引言

分布式發(fā)電系統(tǒng)是應對環(huán)境污染、應用清潔能源的有效途徑，也是解決能源危機、利用可持續(xù)能源的較為現(xiàn)實的方式，近年來分布式電源（DG）得到了越來越多的重視［1］。如何將不可控的分布式電源以更高的電能質量穩(wěn)定地接入電網(wǎng)便成了研究的熱點。分布式電源一般通過并網(wǎng)逆變器接入微電網(wǎng)中。已經(jīng)有學者對并網(wǎng)逆變器的拓撲以及控制策略進行了大量的研究［2-5］。為了降低分布式發(fā)電系統(tǒng)電能質量治理的成本和運行維護費用，提出了多功能并網(wǎng)逆變器的概念［6］。多功能并網(wǎng)逆變器即是復合了并網(wǎng)逆變器完成可再生能源或儲能等微電源并網(wǎng)的功能和其他一些注入電能治理等功能的并網(wǎng)逆變器［7］。整合了功能分離的多臺逆變器的功能于一臺逆變器，將大幅降低系統(tǒng)的投資費用，提高DG系統(tǒng)的靈活性和適用范圍，且更加便于維護［8］。文獻［9-10］提出了一種基于PI控制的復合了APF功能的三相多功能逆變器，在abc坐標系下，PI控制器很難實現(xiàn)對正弦交流量的無靜差跟蹤；文獻［11］提出了一種基于滯環(huán)控制復合了PFC和UPS功能的多功能逆變器，文獻［12-13］提出了一種基于滯環(huán)控制復合了UPQC功能的多功能逆變器，但是滯環(huán)控制開關頻率過大，容易造成發(fā)熱［14-15］。

本文基于傳統(tǒng)的PI控制器和PR控制器，提出了一種應基于改進型PR控制器——PIR控制器的多功能逆變器，具有較好的動態(tài)響應性能，能夠實現(xiàn)電流無穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤電流參考值。

1 DG系統(tǒng)并網(wǎng)結構

DG系統(tǒng)的并網(wǎng)結構如圖1所示，系統(tǒng)包括一個通過多功能逆變器并網(wǎng)的DG系統(tǒng)和下游的一個非線性負荷，經(jīng)PCC點直接連接到電網(wǎng)。uDC為變壓器直流側的直流電壓，iDG為逆變器輸出電流，i為并網(wǎng)電流。直流側電壓由DG或者儲能裝置提供，直流電通過三相逆變器，經(jīng)過多功能逆變器控制，通過PWM調制輸出三相交流電。

圖1 DG系統(tǒng)并網(wǎng)拓撲

2 多功能逆變器控制設計

在聯(lián)網(wǎng)模式中，從外網(wǎng)看，DG系統(tǒng)應具有類似負荷特性。PQ控制又稱定功率控制，多應用于并網(wǎng)情況，控制目的是要求DG系統(tǒng)的輸出無功功率和有功功率等于其功率參考值，另外由于外部大電網(wǎng)承擔了頻率和電壓的支撐，PQ控制不必考慮電壓和頻率問題。主要通過測量DG系統(tǒng)的電壓和電流計算出有功功率和無功功率的輸出值與預設的參考值進行比較，經(jīng)過功率外環(huán)和電流內環(huán)控制最終得到PWM信號，實現(xiàn)對逆變器的電壓或電流調節(jié)，最終實現(xiàn)恒功率輸出的目的。

圖2 多功能逆變器控制器設計

如圖2所示，多功能逆變器控制主要由PLL鎖相環(huán)［16］、功率計算、功率控制、諧波測量、電流控制等部分組成。其中，PO、QO是功率計算得到的逆變器輸出的有功功率和無功功率，Pref、Qref是相應的功率參考值；θ是由PLL鎖相環(huán)檢測到的電壓相位；idref、iqref是PQ功率控制得到的指令電流的d軸分量和q軸分量，ihdabc是諧波檢測得到的諧波電流，一起輸入給電流控制，由電流內環(huán)控制進行合成指令電流和對其跟蹤控制。

功率控制如圖3所示，功率計算得到Qref和Pref經(jīng)過PI控制得到dq軸的指令電流idref和iqref，輸出給電流控制。

圖3 功率控制器結構

P和Q解耦以后分別進行控制，并采用功率外環(huán)和電流內環(huán)的雙環(huán)控制策略，通過測量三相瞬時值電流與三相瞬時值電壓，得到PO和QO，并和相應的功率的參考值進行比較，然后對其誤差進行PI控制，得到內環(huán)控制器的參考信號idref和iqref，經(jīng)過dq反變換后，與諧波檢測得到的諧波電流ihabc疊加然后與檢測到實際電流進行比較，對其誤差進行PIR跟蹤控制，得到PWM變流器的調制信號。

2.3 電流控制設計

傳統(tǒng)PQ控制由于在dq坐標系下，采用PI控制器進行并網(wǎng)電流的跟蹤，是由于在dq坐標系下并網(wǎng)指令電流idref、iqref均為一個常數(shù)。需要abc坐標系下的并網(wǎng)指令電流跟蹤控制器，而在abc坐標系下，指令電流是正弦量，若應用PI控制器，會出現(xiàn)明顯的幅值和相位穩(wěn)態(tài)誤差，將減小功率因數(shù)，降低了并網(wǎng)的電能質量。

借鑒dq軸是由abc軸和αβ軸旋轉得到的思路，將PI控制器進行旋轉，就能夠得到PR控制器。對于所述PI控制器的不足，PR控制器能夠有效解決，通過PR控制器對并網(wǎng)電流進行跟蹤，能夠對正弦信號進行很好的跟蹤。PR控制器的傳遞函數(shù)GPR（s）為

式中：Kp和KR分別為PR比例諧振控制器的比例參數(shù)和諧振參數(shù)；ω0為諧振頻率。

取Kp=50，KR=1 500，ω0=2πf=315 rad，波特圖如圖4所示。

圖4 PR控制器波特圖

PR控制器波特圖如圖4所示，PR控制器在ω0處的增益很大，但是其帶寬非常小、非基波頻率處增益非常小。而實際中微網(wǎng)的頻率并不穩(wěn)定，很容易發(fā)生偏移。當頻率發(fā)生偏移的時候，PR控制器將并不能有效工作。

提出了應用改進PR控制器——PIR控制器，其傳遞函數(shù)G′PR（s）表達式為

式中：Ki為積分參數(shù)；ωc為截止頻率，改善了增益的頻帶特性，當頻率發(fā)生偏移的時候，也具有較好的跟蹤能力。

Kp＝50，Ki＝450，KR＝1 500，ωc＝10 rand／s時PIR控制器波特圖如圖5所示。在額定頻率處，ωc參數(shù)取值越小，帶寬越窄；ωc越大，帶寬越寬。

圖5 PIR控制器波特圖

在多功能逆變器上，考慮到諧波量，不僅要對工頻量進行跟蹤控制，還需要對倍頻量進行跟蹤控制，需要一個多層PR控制器，其傳遞函數(shù)為

式中：h為諧波的次數(shù)；KRh為h次諧波的諧振參數(shù)；ωch為 h次諧波的截止頻率；ωh位 h次諧波的諧振頻率。

應用多層PIR控制器設計電流控制如圖6所示。idref和iqref經(jīng)過dq反變化得到abc坐標軸下的控制電流，與諧波檢測得到的abc三相的諧波電流iah、ibh、ich相疊加，得到 abc坐標軸下的指令電流 iaref、ibref、icref，與測得的 ia、ib、ic相比較，然后對其誤差進行多層PIR控制，得到PWM逆變器的調制電壓信號Va、Vb、Vc。

圖6 基于多層PIR的電流控制

4 諧波檢測原理

GB／T 14549—1993 《電能質量公用電網(wǎng)諧波》對諧波的定義：“對周期性交流量進行傅里葉分解，得到頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量。”

目前諧波檢測最快速、應用最廣泛的就是基于瞬時無損功率理論的諧波檢測方法［17］，本文也采用基于瞬時無功功率理論的ip-iq諧波檢測方法。

圖7 諧波檢測原理

諧波檢測原理如圖7所示，C32是abc坐標系到αβ正交坐標系的變換矩陣，Cpq是αβ正交坐標系到pq旋轉坐標系的變換矩陣。Cpq-1是由pq旋轉坐標系到αβ正交坐標系的變換矩陣，C32-1是由αβ變換回abc坐標軸變換矩陣。其中，Cpq和C32為

采用鎖相環(huán)技術PLL對電網(wǎng)a相電壓鎖相，得到ω供Cpq矩陣使用。三相輸入電流ia、ib、ic經(jīng)過C32變換和Cpq變換得到有功電流和無功電流ip、iq。經(jīng)過低通濾波器LPF濾波后得到直流分量，再經(jīng)過一定的反變換就能得到三相交流的基波分量 iaf、ibf、icf，最后用三相電流與三相基波電流相減，即可求出三相電流的諧波分量iah、ibh、ich。

5 仿真分析

采用 PowerFactory／DIgsilent軟件進行建模仿真。分布式電源并網(wǎng)如圖8所示。

圖8 分布式電網(wǎng)并網(wǎng)模型

直流電壓源和PWM逆變器代表一個分布式電源系統(tǒng)，DC為直流母線，直流側電壓為0.8 kV。AC／PCC為并網(wǎng)點的0.4 kV交流母線。分布式電源系統(tǒng)指令有功和無功分別為0.5MW和0.2Mvar。外部電網(wǎng)等效于功率無窮大電源。線路L1001為架空線，AC單位長度正負序電阻為R′=0.284Ω／km，單位長度正負序電抗X′=0.083Ω／km，導體材料為鋁。

外環(huán)PI控制器參數(shù)K=0.5、T=0.02，內環(huán)PIR控制器KP=50，Ki=450，Kr=1 500，h=5，7，11，13。

圖9 PQ控制驗證

0.5 s時，切除總負載，控制結果如圖9所示。在負載切除后，基本能夠保持分布式電源輸出的有功無功功率恒定。

非線性負荷未濾波三相電流波形及頻譜如圖10和圖11所示，由于非線性負載的存在，三項電流波形畸變嚴重，畸變率很高，達到16.33%，主要含有5次、7次、11次和13次諧波。

圖10 非線性負荷未濾波三相電流波形

圖11 非線性負荷未濾波頻譜

圖12 非線性負荷濾波后電流波形

圖13 非線性負荷濾波后頻譜

濾波后的電流波形和傅里葉變換頻譜如圖12和圖13所示，總諧波畸變率降低到了2.08%。對比圖11和圖13可以看出：圖11得到主要諧波次數(shù)，將多層PIR控制器參數(shù)設置h=5，7，11，13。5次、7次、11次、13次諧波明顯降低，具有很好的濾波效果。GBT 14549—1993《電能質量公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定0.4 kV等級，THD不超過5%。濾波前負載電流諧波畸變率THD為16.33%，濾波后，將諧波畸變率THD降低到了2.08%。

仿真結果證明，多功能逆變器DG系統(tǒng)具有恒功率控制和諧波治理的作用，對指定次數(shù)諧波具有很好的治理作用。

6 結語

采用靜止αβ坐標系下的改進PR控制，利用入網(wǎng)電流作為電流內環(huán)，瞬時功率作為外環(huán)，設計具有諧波補償功能的多功能逆變器。 通過PowerFactory／DIgsilent進行建模仿真。仿真結果表明，該多功能逆變器系統(tǒng)能夠輸出恒定的有功功率和無功功率，并且對特定次數(shù)的諧波具有良好的補償性能。

［1］馬釗，劉穎異，尚宇煒，等.CIGRE 2016未來電力系統(tǒng)及主動配電系統(tǒng)技術新動向［J］.中國電機工程學報，2017，37（1）：27-36.

［2］BLAABJERG F，TEODORESCU R，LISERRE M.et al.Overview of control and grid synchronization for distributed power generation systems［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53（5）：1 398-1 409.

［3］KAZMIERKOWSKIM P，MALESANIL.Current control techniques for three-phase voltage-source PWM converters：a survey［J］. IEEETransactionson IndustrialElectronics，1998，45（5）：691-703.

［4］董密，羅安.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的設計與控制方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30（20）：97-102.

［5］DONGMi，LUO An.Design and control strategies of inverters for a grid-connected photovoltaic power system ［J］.Automation of Electric Power Systems，2006，30（20）：97-102.

［6］湯勝清，曾正，程沖，等.微電網(wǎng)中多功能并網(wǎng)逆變器的無線協(xié)調控制［J］.電力系統(tǒng)自動化，2015，39（9）：200-207.

［7］曾正.多功能并網(wǎng)逆變器及其微電網(wǎng)應用［D］.杭州：浙江大學，2014.

［8］劉宏達，周磊.多功能并網(wǎng)逆變器及其在接入配電系統(tǒng)的微電網(wǎng)中的應用［J］.中國電機工程學報，2014，34（16）：2 649-2 658.

［9］WU T F，SHEN C L，CHANG CH，et al.13W grid-connection PV power inverter with partial active power filter［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2003，39（2）：635-646.

［10］WU T F，SHEN C L，NEIH S.A 13W grid-connection PV power inverter with APF based on nonlinear programming and FZPD algorithm ［C］∥IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition.Miami，F(xiàn)L，USA：IEEE，2003：546-552.

［11］KIM S，YOO G，SONG J.A bifunctional utility connected photovoltaic system with power factor correction and UPS facility［C］∥IEEE Photovoltaic Specialists Conference.Washington，USA：IEEE，1996：1 363-1 368.

［12］汪海寧，蘇建徽，張國榮，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電及無功補償?shù)慕y(tǒng)一控制［J］.電工技術學報，2005，20（9）：114-118.

［13］張國榮，張鐵良，丁明，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電與有源電力濾波器的統(tǒng)一控制［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31（8）：61-66.

［14］劉全偉，鄧焰，胡義華，等.基于電流預測和虛擬過采樣的數(shù)字滯環(huán)控制［J］.電工技術學報，2014，29（10）：127-133.

［15］唐小琦，蘇玲宏，周向東，等.基于FPGA的交流伺服系統(tǒng)電流環(huán)帶寬擴展［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2014，42（2）：1-5.

［16］王鹿軍，張沖，呂征宇.電網(wǎng)諧波背景下單相并網(wǎng)逆變器的鎖相方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2013，37（14）：107-112.

［17］崔浩，舒朝君，陳言.基于瞬時無功功率理論的諧波檢測和抑制的模型參考自適應控制系統(tǒng)［J］.電測與儀表，2017，54（4）：6-10，62.

Control S trategy of M ulti-function I nverter B ased on I m proved PR C ontrol

LIU Yafeng，CHEN Yu，PENG Ke，LIU Guodong
（School of Electrical and Electronic Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China）

The multi-function grid-connected inverter is able to condition the power quality while serving as an interface between the distribution generations and the grid.It has a better prospect comparing with the single-function grid-connected inverter.In this paper，the conventional PR controller is reviewed.Based on characteristic of the PR control，a new ea tracking control of the multi-function grid-connected inverter for interfacing the distribution generations to the grid is proposed based on by implementing the improved PR control.In addition to the grid connected control of the fundamental harmonic，it is also able to filter the harmonic currents.A dual loop PQ control using several parallel PIR controllers to control the grid-connected distributed g eneration is designed in order to effectively eliminate certain harmonics.The mathematical model of the control system is established and simulated via PowerFactory／DIgsilent.The validity and effectiveness of the proposed control system is verified by simulation.The simulation results show that the proposed multiefunction inverter is able to not only satisfy the requirements of themicro-network and PQ control for grid-connection but also improve the power quality within the grid.

distributed generation；harmonic compensation；multifunctional inverter；PIR control

TM72

A

1007－9904（2017）06－0035－06

2017-02-18

劉亞峰（1990），男，碩士研究生，研究方向為微網(wǎng)電能質量。