基于PI控制的三相光伏并网逆变器电流控制器设计

· 55·可再生能源Renewable Energy Resources第 27 卷 第 2 期2009 年 4 月Vol.27 No.2Apr. 20090 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 。 通常并网逆变器采用电流源方式并网 ， 即逆变器输出电流的幅值与相位可控 ， 并跟随电网电压实现能量回馈 [1]。 由于电网对馈入其中的电流谐波含量有着严格的要求 ， 因此在并网控制方式中 ， 对逆变器输出电流波形进行控制尤为重要 。目前 ， 常 用 的 电 流 波 形 控 制 技 术 主 要 有PI 控 制 、 滞 环 电 流 控 制 、 无 差 拍 控 制 、 重 复 控制 等 [2 ] ～ [ 4 ] 。 其 中 ,PI 控 制 方 法 物 理 意 义 清 晰 、易 于 实 现 ， 具 有 较 好 的 动 态 响 应 特 性 和 较 强的 鲁 棒 性 ， 因 而 在 逆 变 器 输 出 电 流 波 形 控 制中 得 到 了 广 泛 应 用 。本文根据三相并网逆变器输出电 流 在 同 步旋转坐标系下可变换成直流量的特点 [5] ， 提出了一种基于 PI 控制实现的逆变器并网电流波形控制器设计方案 ； 借助仿真软件 MATLAB 建立了带有隔离变压器的三相并网逆变器仿真模型 ， 并对所提出的控制方案进行仿真分析 ； 同时在搭建的功率为 10 kW 的并网逆变器实验平台上进行了实验研究 。收稿日期 ： 2008-07-09 。作者简介 ： 朱炜锋 （ 1979- ）， 男 ， 硕士 ， 主要从事光伏并网发电研究 。 E-mail ： zhuwf999@mail.iee.ac.cn基 于 PI 控 制 的 三 相 光 伏 并 网 逆 变 器电 流 控 制 器 设 计朱炜锋 ， 窦 伟 ， 徐正国 ， 彭燕昌 ， 许洪华（ 中国科学院 电工研究所 ， 北京 100190）摘 要 ： 分析了三相光伏并网逆变器的电路拓扑和系统的控制结构 ， 在此基础上提出了同步旋转坐标系下基于 PI 控制的电流控制器设计方案 。 在 MATLAB/SIMULINK 环境下进行了系统建模与仿真 ， 并构建了实验样机进行实验研究 。 仿真和实验结果验证了所提出控制方案的正确性 ， 即采用 PI 控制可以提高系统的动态性能 ， 实现对指令进行无静差跟踪 。关键词 ： 三相 ； 并网逆变器 ； PI 控制中图分类号 ： TK514； TM464 文献标志码 ： B 文章编号 ： 1671-5292 （ 2009） 02-0055-04Design of the PI current controller of three phasephotovoltaic grid-connected inverterZHU Wei-feng ， DOU Wei， XU Zheng-guo ， PENG Yan-chang ， XU Hong-hua（ Institute of Electrical Engineering , Chinese Academic of Science, Beijing 100190, China ）Abstract ： The topology and the control scheme of the three-phase grid connected inverter is ana-lyzed in the paper. A design of PI current controller based on synchronous frame is also proposed.And the modeling and the simulation of the system based on MATLAB/SIMULINK environment arepresented too. The experimental equipment has also been constructed. The experiment verifies thatthe scheme can work well, the PI current controller can improve the dynamic quality of the systemand can help to realize the non steady-state error for tracking the instruction.Key words ： three-phase； grid-connected inverter ； PI control· 56·可再生能源 2009， 27（ 2）（ ia i b ic）abc/αβαβ /dqdq/αβidcontrolidcontrolω Li d -++++ω Li qiq -+-+iqrefidrefUdc IdcedMPPTPI_qPI_dea eb ecθid电网电压锁相1 三相并网逆变器电路拓扑结构及控制系统构成带有变压器的三相并网逆变器拓扑结构如图1 所示 。图 中 ： Ua,Ub,Uc 为 逆 变 器 交 流 侧 输 出 电 压 ；ia， i b， i c 为 逆 变 器 并 网 输 出 电 流 ； ea， eb， ec 为 电 网电压 ； L 为输出滤波电 感 及 变 压 器 一 次 侧 漏 感 ；L′ 为 电 网 及 变 压 器 二 次 侧 漏 感 ； R 为 逆 变 器 输出等效电阻 ； R′ 为电网等效电阻 ； T 为 Y/ Δ 隔离变压器 。在三相并网逆变器中 ， 由于三相基波正弦输出电流在正向同步旋转坐标系下能够变换为直流量 ， 采用 PI 控制能够实现对直流给定信号的无静差跟踪 。 因此 ， 本文在同步旋转坐标系下采用 PI控制策略实现电流波形控制 。 具有 PI 控制器的三相并网光伏逆变器输出电流控制系统的结构如图2 所示 。系统的基本控制过程如下 ： 首先 ， 控制系统将采集到的三相输出电流经过 Clark 变换和 Park 变换后 ， 分解为有功电流反馈量和无功电流反馈量 ，与指令电流比较后经过 PI 调节后生成新的逆变器控制指令 ； 由于并网逆变器通常需要控制为单位功率因数运行 [6]， 因此 ， 令无功电流为零 ， 而有功电流的指令由 MPPT 控制器给出 。 为使并网系统的有功功率输出达到最大 ， 必须采用锁相技术控制输出电流的频率和相位与电网电压严格同步 [7] ， 电网电压瞬时采样值通过软件算法计算得到电网电压相位 。2 PI 控制器设计光伏并网逆变器的控制目标是实现输出电流对给定指令的快速准确跟踪 ， 为了获得期望的稳态和动态性能指标 ， 光伏并网发电系统逆变器的电流控制器需要具有很好的随动性能 ， 以准确 、 快速跟踪电流控制环的给定信号 。 因此 ， 本文按照典型 I 型系统设计 PI 电流调节器 [8]。连续域 PI 校正器的传递函数为 ：GC（ s） =（ Ki pS+Kil） /S （ 1）按照小信号建模分析法得到图 1 所示的并网逆变器电流控制环开环传递函数为 ：Gp（ s） = K f Kpwh/R1+τa! “s + 1+τ s! “s + 1+τ f! “s（ 2）式中 ： Kip 为比例系数 ； Kil 为积分系数 ； K f 为电 流反馈系数 ； K pwh 为逆变桥放大系数 ； τ a 为输出滤波器时间常数 ； τ s 为开关周期 ； τ f 为反馈滤波器时间常数 。加入 PI 校正环节后 ， 电流环开环传递函数为G′ p（ s） =KipKils+! “1 K f KpwhKil /Rs 1+τ a! “s 1+ τ s+ τ f! “# $s （ 3）考虑到电流内环需要有较快的电流 跟 随 特性 ， 按 I 型典型系统标准设计 PI 校正器参数应满足 ：K ip /K il=τ a （ 4）将式 （ 4） 代入式 （ 3） 得到校正为 I 型典型系统的电流开环传递函数形式 ：G′ p（ s） = Kf K pwhK il /Rs 1+ τs+ τ f! “% &s （ 5）3 系统的仿真根 据 上 文 的 理 论 分 析 ， 利 用 MATLAB/SIMULINK 软件在 MATLAB/SIMULINK 环境里建立了图 3 所示的三相并网逆变器仿真模型 。 图 4为稳态时逆变器三相输出电流仿真波形 。 图 5 为输出电流阶跃响应仿真波形 。· 57·朱炜锋 ， 等 基于 PI 控制的三相光伏并网逆变器电流控制器设计表 1 10 kW 三相并网逆变器仿真设计参数Table 1 Parametersof simulation design of 10 kW three-phase grid-connected inverter项目 符号 参数值逆变器开关频率 fs 4 kHz滤波电感 Lf 0.8 mH等效电阻 R 0.4 Ω逆变桥放大系数 Kpwm 105电流反馈系数 Kf 0.04输出滤波器时间常数 τ s 2 ms反馈滤波器时间常数 τ f 0.125 mscontroller图 5 中 I d 是同步旋转坐标系下逆变器输出虚拟电流 。 将图 5 （ a） 的时间轴放大后得到图 5（ b）。 从图 5（ b） 可以看出 ， 输出电流的阶跃响应时域指标与理论设计指标相近 ， 系统具有较好的动态响应性能 ， 采用 PI 控制的电流控制器能够较好地满足系统动态与稳态性能指标 。4 实验结果根据以上的理论分析及仿真结果 ， 设计了一台输出功率为 10 kW 的三相并网逆变器样机 ,其主要参数如表 1 所示 。 变压器为 Y/Δ 型连接三相升压变压器 。 在该逆变器上对所提出的 PI 电流控制方案进行实验验证 。图 6 为采用 PI 控制的逆变器三相输出电流稳态波形及频谱图 。 频谱图显示每相电流中都有幅值很高的 5 次谐波 ， 在额定输出功率时各项电流 THD 均接近于 5%。· 58·可再生能源 2009， 27（ 2）据国外媒体报道 ， 美国伦斯勒理工学院 (RPI) 物理系教授林 · 肖侑率领的研究组近日开发出一种新型太阳能电池板 ， 该电池板覆盖一层可以吸收来自所有角度太阳光 、 吸收率高达 96.21% 的太阳能电池板涂层材料 。这款防反射涂层可以非常有效地提高太阳能电池板的太阳光吸收率 。 研究组同时解决了太阳能利用方面的两大难题 ——— 阳光吸收率和吸收波长问题 ， 并大幅度缩短太阳能研究和产业化之间的距离 。研究组称 ， 该太阳能电池板可以吸收紫外线 、 可见光及红外线 ， 而且还可以吸收来自所有角度的太阳光 ， 因此 ， 即使没有太阳跟踪装置 ， 也可以保持较高的吸收率 。 （ 摘自 中国新能源网 ）高 吸 收 率 太 阳 能 电 池 板 问 世图 7（ a） 为阶跃响应实验波形 ， 将图 7（ a） 所示的动态响应过程在时间轴上放大后得到图 7（ b）。经测量 ， 电流阶跃响应超调量 σ ≈ 10% ， 上升时间约为 0.8 ms， 系统具有较好的动态跟随性能 ， 达到了预期目标 。5 结论并网逆变器是光伏并网发电系统的核心 设备 ， 光伏并网逆变器的控制目标是实现输出电流对给定指令准确快速的跟踪 。 本文所提出的同步旋转坐标系下基于 PWM 技术的 PI 控制方法动态响应快 ， 可以实现对指令的无静差跟踪 。 实验结果表明 ， 基于该控制算法的光伏并网逆变器动态和稳态性能均达到了设计目标 ， 能够可靠应用于并网逆变器输出电流波形控制 。参考文献 ：[1] 赵为 .太阳能光伏并网发电系统的研究 [D]. 合肥 ： 合肥工业大学 ， 2003.[2] J H HWANG ， K S AHN ， H C LIM. 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