光伏微網逆變器的數字前饋PI控制方法

羅丹 廖志賢 蔣清紅 蔣品群

摘? 要：首先介紹光伏微網逆變器的電路模型及其工作原理，并對電路模型進行簡化分析，得到微網逆變器的信號矢量關系，然后通過數學分析，研究和探討了數字前饋PI控制方法的遞推算法，最后基于Matlab平臺建立其仿真模型，將數字前饋PI控制方法與滯環控制方法進行對比仿真研究。通過仿真，對兩種方法的控制誤差、總諧波失真度兩個指標進行考察，實驗結果表明，在控制誤差相同的情況下，光伏微網逆變器的數字前饋PI控制方法的總諧波失真度遠小于滯環控制方法，表明數字前饋PI控制方法具有更好的輸出電能質量，性能表現更優越。

關鍵詞：光伏;微網;逆變器;數字前饋PI控制方法

中圖分類號：TM464? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）09-0124-02

Abstract： Firstly， the circuit model and working principle of photovoltaic microgrid inverter are introduced， and the circuit model is simplified and analyzed， and the signal vector relationship of microgrid inverter is obtained， and then through mathematical analysis， The recursive algorithm of digital feedforward PI control method is studied and discussed. finally， the simulation model is established based on Matlab platform， and the digital feedforward PI control method is compared with hysteresis control method. Through simulation， the control error and total harmonic distortion of the two methods are investigated. the experimental results show that when the control error is the same. The total harmonic distortion of the digital feedforward PI control method for photovoltaic microgrid inverter is much lower than that of the hysteresis control method， which indicates that the digital feedforward PI control method has better output power quality and better performance.

Keywords： photovoltaic; microgrid; inverter; digital feedforward PI control method

引言

光伏微網發電系統是太陽能光伏發電技術的新型并網發電形式[1]，不僅在民用領域有非常巨大的應用前景，也在軍用領域有著重要的戰略意義[2]。隨著新能源利用技術的不斷發展，光伏微網逆變器的控制技術也在不斷發展，國內外學者均對光伏微網逆變器展開研究，并且已經取得了一定的研究成果。如，Chia-Chi Chu等學者利用復雜網絡方法，對智能微網系統進行網絡建模和研究，發現智能微網系統具有小世界網絡特性[3];BASEEM KHAN等學者研究智能微網系統的優化問題，以提高系統的穩定性和智能化;在光伏微網逆變器電路中，全橋電路是一種常見的電路拓撲[4，5]，在國內外均有文獻報道。但當前光伏微網逆變器控制技術仍然面臨諸多挑戰，如穩定性、可靠性、電能質量等問題，為此，本文研究基于數字前饋控制的光伏微網逆變器的控制方法，以期為光伏微網系統的工程設計提供理論依據。

1 單相光伏微網逆變器工作原理

1.1 光伏微網逆變器電路原理分析

利用全橋電路設計的微網逆變器電路結構如圖1所示。其中，輸入部分由濾波電容和光伏電池陣列組成，DC/DC部分由交錯并聯正激變換器組成，DC/AC部分由全橋電路組成，輸出部分是耦合電感及電網。

圖1中的輸入部分在光伏電池輸出端并聯濾波電容，光伏電池兩端電壓紋波幅度被限制在一定范圍內，以提高MPPT精度。兩個高頻正激式變壓器交錯并聯，構成DC/DC變換器，為了研究電流跟蹤同步即DC/AC部分的控制，對于輸入部分光伏電池和DC/DC變換器，可以合起來看成一個電壓源。

1.2 單相光伏微網逆變器的簡化模型

對于光伏微網發電系統，光伏微網逆變器的輸出電流質量是一個重要的參數，其輸出電流應是一個與電網電壓、頻率、相位同步的正弦波信號。光伏微網逆變器并網運行的簡化電路如圖2所示。uinv為逆變器輸出電壓，ug為公共電網電壓，RL為線路等效電阻，L為串聯的耦合電感，io為逆變器注入電網的電流。

2 基于數字化前饋PI控制同步方法設計

光伏微網逆變器的控制目的是使輸出電流以公共電網的電壓相位和頻率注入電網中。顯然地，控制電壓信號u與電網電壓ug具有很強的關聯性，因此電網電壓ug可以作為控制電壓信號u的成分之一?；跀底只梆丳I控制同步方法如圖3所示。

由圖3可知，控制電壓信號包含PI控制器的輸出和電網電壓的擾動信號兩部分。分析該結構，可以看到，在PI控制項不存在時，電網擾動信號unet仍能使控制電壓信號u呈現接近正弦波輸出。在連續域中，上述基于PI控制器的電流跟蹤同步控制方法的改進結構，其控制電壓信號輸出的表達式如下：

3 與電流滯環控制方法仿真結果比較分析

3.1 控制誤差比較

3.2 輸出電流諧波比較

4 結束語

通過對數字前饋PI控制進行分析和改進后，基于MATLAB平臺的simulink進行仿真實驗，并與滯環控制進行對比，發現：兩種方法的控制絕對誤差均在±1A，但數字前饋PI控制方法的輸出電流總諧波失真度為2.81%，滯環控制方法的輸出總諧波失真度為4.02%，即數字前饋PI控制的輸出電能質量優于滯環控制方法，可見，本文研究的數字前饋PI控制方法具有良好的控制性能，具有較好的應用前景。

參考文獻：

[1]Hosseinzadeh M， Salmasi FR. Fault-Tolerant Supervisory Controller for a Hybrid AC/DC Micro-Grid[J]. IEEE Transactions on Smart Grid， 2018，9（4）：2809-2823.

[2]Wang D， Liu L， Jia H， et al. Review of key problems related to integrated energy distribution systems[J]. CSEE Journal of Power and Energy Systems， 2018，4（2）：130-145.

[3]Chu C， Iu HH. Complex Networks Theory For Modern Smart Grid Applications： A Survey[J]. IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems， 2017，7（2）：177-191.

[4]Huafeng X， Shaojun X， Yang C， et al. An Optimized Transformerless Photovoltaic Grid-Connected Inverter[J]. Industrial Electronics， IEEE Transactions on，2011，58（5）：1887-1895.

[5]李新杰，杜少武，張勝，等.采用降損模式的單相SVPWM全橋逆變器[J].電力電子技術，2010，11.