基于PI_重复控制的光伏并网逆变器设计

船电技术 | 控制技术 Vol.31 No.8 2011.848 基于 PI重复控制的光伏并网逆变器设计张鹏 金海 梁星星 余峰（中国船舶重工集团公司第七一二研究所， 武汉 430064 ）摘 要 本文通过实验指出数字 PI 控制器在光伏并网逆变器中的局限性，提出将重复控制器引入到电流内环中以提高稳态性能，进而将重复控制和 PI 控制器并联用于三相光伏并网逆变器的电流波形控制。其中PI 控制保证系统动态性能，而重复控制提高电流波形跟踪精度。实验表明，采用这种方法后可以显著改善逆变器的并网电流质量。关键词光伏逆变器 波形控制 PI 控制 重复控制中图分类号 TM464 文献标志码 A 文章编号 1003-4862201108-0048-03 Design of Photovoltaic Grid-connected Inverter Based on PI and Repetitive Control Zhang Peng , Jin Hai, Liang Xingxing, Yu Feng Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC, Wuhan 430064, China Abstract In this paper, it is pointed out through experimental result that the digital PI controller is in the limitations in the photovoltaic inverter, and it is proposed that repetitive controller is introduced into current loop to improve the steady characteristics. So PI control and repetitive control algorithm are adopted to correct the output current waveform of the photovoltaic grid-connected inverter. In this control strategy, the PI control is used to guarantee system dynamic performance and the repetitive control is to improve current waveform quality. The experimental results show that this controller design can significantly improve the grid-connected current quality. Key words photovoltaic inverter ; waveform correction; PI controller; repetitive controller 1 引言光伏并网发电是利用太阳能发电的一种有效方式。光伏并网发电系统需要采用逆变器作为电能转换装置将光伏阵列所输出的直流电变换成交流电送入电网。由于太阳能光伏阵列（ PV）的强非线性特性，要将 PV 阵列的直流电能高质量地逆变成交流电流馈入电网，并网逆变器一般采用电压外环及电流内环的双环控制结构，或者MPPT 外环直接控制并网电流的 MPPT 直接电流寻优结构，无论外环为何种结构，其本质都是通过实时采样 PV 阵列的电压电流值来控制并网给定电流，由电流内环通过各种控制方法及 PWM调制技术转换成 PWM 脉冲给驱动电路驱动功率开关器件。因此，光伏并网逆变器电流内环的优劣直接关系着逆变器的并网性能。区别于一般的电压型逆变器（ VSC ） ，光伏并网逆变器为电流控制电压型逆变器，对于电流控制型逆变器设计，为了提高系统鲁棒性一般采用直接电流控制 ， dq 解 耦 作 为 一 种 常 用 的 直 接 电 流 控 制 思想，其基本思路是在 dq 坐标系中对三相交流电流进行解耦，得到其有功分量 i d 和无功分量 iq并分别进行控制，因其通过变换后的有功及无功分量为直流量，常规的 PI 控制器便能得到较好的控制效果。本文通过实验证明了纯 PI 控制器用于谐波补偿仍有较大的局限性，进而提出了采用 PI 控制器并联重复控制器用于光伏并网逆变收稿日期 2011-03-20 作 者 简 介 张 鹏 1983- ， 男 ， 助 理 工 程 师 。 研 究 方向电力电子应用技术。Vol.31 No.8 2011.8 船电技术 | 控制技术49 器的波形校正技术 [1] 。2 三相光伏并网逆变器的系统模型对于普通逆变器或变频器而言，通常选择PI 调节器对信号误差进行比例和积分控制是一种简单有效的方式 [2] 。图 1 为对并网电流进行dq 解耦采用 PI 控制的原理框图。图 1 PI 控制的原理框图经过解耦控制后的 d 轴和 q 轴成为两个独立的系统，可以方便地设计其控制器，考虑采用的数字控制系统引入采样延时，同时考虑变换器的输出延时，以 d 轴为例可得到系统在连续域下的等效模型，如图 2 所示。P IK s Ks1PWMsKsτ 1Ls R11f sτ di*di图 2 PI 控制时电流环的等效模型图 2 中 τ s 表示为变换器开关周期的一半，代表变换器延时； τ f 表示反馈滤波和采样延时；KPWM 代表变换器放大倍数，取相电压峰值和直流侧电压之比； K P 和 K I 分别代表电流环 PI 调节器的比例和积分系数。由图 2 可得，系统的前向传递函数为 1 1 P I PWMs fK s K KG ss s s Ls Rτ τ （ 1）其 中 K PWM 0.34 ， L3 10-3 H ， R10.1 ，τ sτ f10 -4 s。由于 τ s 和 τ f 都很小，所以可以将两个小惯性环节合并为一个惯性环节，其时间常数用 τ fsτ sτ f 代替，同时若令 TcK I /K p， TLR1/L1则 1 P PWM Csf LK K s TG sLs s s Tτ （ 2）令 Tc TL 实现零、极点对消可将高阶系统降阶为一个二阶系统，再令 K KpK PWM /L1 则 1sfKG ss sτ （ 3）可得电流闭环传递函数为22 2 1 2nn nG sC sG s s sωξω ω （ 4）式（ 4）中为一典型二阶系统的传递函数，其中/n sfKω τ ， 0.5 1/ sfKξ τ 。 为了 获 得较 好的动态性能，一般令 ξ 0.707 ， ω n 一般取开关频率 的 1/3 ～ 1/5 左 右 ； 将 前 述 条 件 代 入 以 上 式子，计算得到 KP 1.45 ， K I 16。我们通过仿真及样机试验发现单纯采用 PI控制器对于波形校正存在一定的局限性，比如电流波形畸变严重，电网电压稍微一点细小的波动对于逆变器输出存在较大的扰动，随着输出电流的增大导致逆变器输出电流质量变差，甚至系统不能稳定工作。由逆变器三相静止坐标系到二相同步旋转坐标系模型 [3] ，可知输出电流满足下式Vol.31 No.8 2011.8 船电技术 | 控制技术49 器的波形校正技术 [1] 。2 三相光伏并网逆变器的系统模型对于普通逆变器或变频器而言，通常选择PI 调节器对信号误差进行比例和积分控制是一种简单有效的方式 [2] 。图 1 为对并网电流进行dq 解耦采用 PI 控制的原理框图。图 1 PI 控制的原理框图经过解耦控制后的 d 轴和 q 轴成为两个独立的系统，可以方便地设计其控制器，考虑采用的数字控制系统引入采样延时，同时考虑变换器的输出延时，以 d 轴为例可得到系统在连续域下的等效模型，如图 2 所示。P IK s Ks1PWMsKsτ 1Ls R11f sτ di*di图 2 PI 控制时电流环的等效模型图 2 中 τ s 表示为变换器开关周期的一半，代表变换器延时； τ f 表示反馈滤波和采样延时；KPWM 代表变换器放大倍数，取相电压峰值和直流侧电压之比； K P 和 K I 分别代表电流环 PI 调节器的比例和积分系数。由图 2 可得，系统的前向传递函数为 1 1 P I PWMs fK s K KG ss s s Ls Rτ τ （ 1）其 中 K PWM 0.34 ， L3 10-3 H ， R10.1 ，τ sτ f10 -4 s。由于 τ s 和 τ f 都很小，所以可以将两个小惯性环节合并为一个惯性环节，其时间常数用 τ fsτ sτ f 代替，同时若令 TcK I /K p， TLR1/L1则 1 P PWM Csf LK K s TG sLs s s Tτ （ 2）令 Tc TL 实现零、极点对消可将高阶系统降阶为一个二阶系统，再令 K KpK PWM /L1 则 1sfKG ss sτ （ 3）可得电流闭环传递函数为22 2 1 2nn nG sC sG s s sωξω ω （ 4）式（ 4）中为一典型二阶系统的传递函数，其中/n sfKω τ ， 0.5 1/ sfKξ τ 。 为了 获 得较 好的动态性能，一般令 ξ 0.707 ， ω n 一般取开关频率 的 1/3 ～ 1/5 左 右 ； 将 前 述 条 件 代 入 以 上 式子，计算得到 KP 1.45 ， K I 16。我们通过仿真及样机试验发现单纯采用 PI控制器对于波形校正存在一定的局限性，比如电流波形畸变严重，电网电压稍微一点细小的波动对于逆变器输出存在较大的扰动，随着输出电流的增大导致逆变器输出电流质量变差，甚至系统不能稳定工作。由逆变器三相静止坐标系到二相同步旋转坐标系模型 [3] ，可知输出电流满足下式Vol.31 No.8 2011.8 船电技术 | 控制技术51 为了验证以上分析，对三相光伏并网逆变器进 行 了 实 验 ， 实 验 模 型 如 图 5 所 示 。 电 路 中C2800 uF ， L3 mH ， R0.1 。直流母线电压为300 V 的恒定电压，负载为线电压为 380 V 的交流电网。控制系统采用 TMS320F2812DSP 构成，采样速率为每周波 201 点，开关频率 10.05 kHz 。 PI控制器以及重复控制器按前述方法结合实际参数设计。图 6，图 7 为实验波形 CH 1 为电网电压波形， CH 2 为逆变器输出电流波形 。Nz- zC NzQ z-Nz- zC NzQ z-图 5 采用 PI重复控制的光伏并网逆变器原理框图图 6 采用 PI 重复控制器的实验 图 7 采用 PI 重复控制器的实验波形 THDu0.5,THDi1.9 波形 THDu5, THDi2.1 （下转第 55 页）Vol.31 No.8 2011.8 船电技术 | 应用研究55 在感性地线和信号线中产生较大的电压。对数字电路影响较大。电源回路瞬态包括差模及共模两种形式。差模尖峰电压往往有较慢的上升时间和较高的能量，为了防止输入电路损坏，需要采取抑制措施。而抑制共模瞬态更困难一些。5 结束语本文从干扰三要素的分析着手综合采取各种软硬件抗干扰措施消除或降低干扰带来的危害，使微机保护运行更合理、更安全。相应的措施使微机保护测控装置通过了国家继电器质量监督检验中心型式试验，取得了电磁兼容检验证书。参考文献[1] 杨奇逊 . 微型机继电保护基础 [M]. 北京水利电力出版社， 1988. [2] 罗士萍 . 微机保护实现原理及装置 [M]. 北京中国电力出版社， 2001. [3] 李一峰 . 提高微机保护系统抗干扰的措施 [J]. 电力学报， 20064456-458. [4] 魏臻珠 , 胡志广 . 微机保护中的抗干扰措施 [J]. 东北电力技术， 2003644 － 46. ≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈（上接第 51页）4 结束语综上所述，把 PI并联重复控制器用于光伏并网逆变器输出电流波形控制，给出的实验波形证明 PI 并联重复控制使得输出电流波形大大改善，同时对于电网的干扰不敏感 ,在电网 THD 值上升后电流波形没有明显畸变。因此采用 PI 重复控制的电流波形控制技术既保证了系统的动态性能，以提高了输出电流波形的稳态精度，能够显著提高系统输出的电流品质，保证太阳能光伏发电系统为真正的绿色能源。参考文献 [1] 周德佳 , 赵争鸣 , 袁立强 , 冯博 . 300 kW 光伏并网系统优化控制与稳定性分析 . 电工技术学报， 2008（ 11） 23-11. [2] 张崇巍 , 张兴 . PWM 整流器及其控制 [M]. 北京 机械工业出版社， 2005. [3] 陈伯时 , 陈敏逊等 . 交流调速系统（第二版） [M]. 北京 机械工业出版社， 2005. [4] 张凯 . 基于重复控制原理的 CVCF-PWM 逆变器波形控制技术研究 [D]. 武汉 华中理工大学， 2000. ≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈（上接第 47页）从而在推导过程中将长度因素消去了。而在实际的工程应用中，长度是必须考虑的因素。而回转椭球体在均匀外场下，是可以被均匀磁化的，在模型最后推导的屏蔽效能计算公式中充分体现了长度因素对屏蔽效能的影响。5 结束语静磁屏蔽是利用铁磁性材料对磁路的分流而实现的。本文从屏蔽效能的定义出发，提出了对一般壳体的屏蔽系数进行近似计算的椭球体模型，并利用该模型推导出了有限长圆柱壳体静磁屏蔽效能的计算公式。最后还将推导的结果和理论公式进行了对比，在理论上充分论证了利用回转椭球体模型进行估计的可行性和优越性。参考文献 [1] 杨士元 . 电磁屏蔽理论与实践 [M]. 北京 国防工业出版社 , 2006. [2] 林春生 , 龚沈光 . 舰船物理场 [M]. 北京 兵器工业出版社 , 2007. [3] F.Lattarulo. On possibility of linemens protection by shieldings against magnetic fields at power frequency [J]. Appl.Math.Model-ling,vol.6,pp.49-54,1982. [4] F.Lattarulo. Shielding of thin generic enclosures from static magnetic fields[J]. IEEE Transactions on electromagnetic compatibility, VOL. EMC-25, NO.4, November 1983. [5] 路宏敏，薛梦麟，傅君眉 . 无限长磁性材料圆柱腔的静磁屏蔽效能 [J]. 西安电子科技大学学报 .1999. [6] 聂士东 , 王澈 , 郭红霞 , 李永卿 , 王群 . 空心柱状磁屏 蔽 体 低 频 磁 屏 蔽 效 能 的 理 论 分 析 与 测 量 . EMC2006/ 扬州 .