基于重复和PI控制的光伏离网逆变器的研究

定 稿 日 期 ： 2011-09-29作 者 简 介 ： 章 丽 红 （ 1974- ）， 女 ， 安 徽 桐 城 人 ， 硕 士 ， 讲 师 ，研 究 方 向 为 电 力 电 子 与 电 力 传 动 。1 引 言随着科学技术的快速发展及人们生 活 水 平 的不断提高 ， 人们对能源的需求量越来越多 ， 传统化石能源日益枯竭 。 故开发利用可再生能源是全世界各国共同追求的目标 。太 阳 能 发 电 作 为 一 种 新 的 电 能 生 产 方 式 ， 以其 无 污 染 、 安 全 、 资 源 丰 富 、 分 布 广 泛 等 特 点 显 示出广阔的发展空间和应用前景 。 随着光伏发电设备的增加 ， 改善光伏逆变输出电流质量已成为当务之急 ， 可采用重复控制来抑制周期性干扰 ， 但重复控制响应速度慢 ， 使控制系统稳定性变差 。此 处 针 对 以 DSP IC30F6010 为 控 制 核 心 的 光伏 系 统 提 出 一 种 将 重 复 控 制 和 传 统 PI 相 结 合 的控制方案 。 该方案利用重复控制器得到畸变率很低的稳态输出波形 ， 同时当系统负载突变时投入PI 控制器 ， 以改善系统的动态响应能力 [1] 。2 主电路结构及逆变器的数学模型太 阳 能 光 伏 离 网 逆 变 器 的 主 电 路 如 图 1 所示 。 太阳能电池阵列将接收到的太阳能量直接转换为直流电压 ， 然后经过电能转换后在逆变器的输 出 端 输 出 高 频 SPWM 波 ， 其 基 波 为 正 弦 波 ， 经过电感滤波后 ， 向负载输入正弦波电流 。图中 ， 串联谐振滤波环节由滤波电抗 L 和 滤基于重复和 PI 控制的光伏离网逆变器的研究章丽红（ 常 州 轻 工 职 业 技 术 学 院 ， 江 苏 常 州 213164）摘 要 ： 针 对 传 统 PI 控 制 无 法 实 现 无 静 差 跟 踪 的 缺 点 ， 提 出 了 一 种 重 复 控 制 与 PI 控 制 相 结 合 的 单 相 光 伏 离 网 逆变 器 复 合 控 制 方 案 。 基 于 内 模 原 理 的 重 复 PI 控 制 策 略 ， 具 有 很 好 的 鲁 棒 性 ， 对 于 消 除 非 线 性 负 载 及 其 他 周 期 性干 扰 引 起 的 波 形 畸 变 具 有 明 显 的 效 果 。 为 验 证 提 出 的 算 法 ， 构 建 了 基 于 DSP IC30F6010 的 光 伏 单 相 逆 变 系 统 实验 模 型 ， 并 且 建 立 Matlab 仿 真 模 型 ， 实 验 和 仿 真 结 果 都 表 明 ， 提 出 的 算 法 能 够 减 少 逆 变 输 出 电 流 谐 波 ， 同 时 系统 兼 顾 了 良 好 的 动 静 态 性 能 。关 键 词 ： 逆 变 器 ； 光 伏 系 统 ； 重 复 控 制 ； 比 例 积 分 控 制中图分类号 ： TM464 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1000-100X （ 2012） 03-0033-03Research on Photovoltaic Off -grid Inverter Based on RepetitiveControl and PI ControlZHANG Li -hong（ Changzhou Institute of Light Industry Technology， Changzhou 213164， China）Abstract ： Aiming at solving the disadvantages that traditional PI control can not realize tracking without steady-stateerror， a synthesized control scheme combined repetitive control with PI control for a single-phase photovoltaic off-gridinverter is introduced.The repetitive control strategy based on internal model theory combined with PI control strategyhas good robustness and has clear effect to eliminate waveform distortion caused by nonlinear load and other periodicinterference.Simulation and experimental prototypes for a single-phase off-grid inverter controlled by DSP IC30F6010are presented to verify the performance of the proposed control approach.The results prove that the harmonic in theinverter’ s output current can be effectively eliminated as well as the system can achieve good steady-state and dy-namic performance with the synthesized control approach.Keywords ： inverter； photovoltaic system； repetitive control； proportion integral control图 1 系 统 的 主 电 路 结 构第 46 卷第 3 期2012 年 3 月电力电子技术Power ElectronicsVol.46， No.3March 2012波电容 C1 构成 。 R 为死区效应及逆变器损耗的等效 阻 尼 电 阻 。 假 设 系 统 的 负 载 阻 抗 为 RL， 则 系 统的传递函数为 ：uC2（ s）ui（ s） =RL/（ RLC2s+1）RL/（ RLC2s+1） +Ls+R+1/（ C1s） =1LC2s2+RC2s+1+C2/C1+[Ls+R+1/（ C1s） ]/RL（ 1）系统空载时 ， RL→ ∞ ， 可等效为二阶模型 ， 即 ：P（ s） = uC2（ s）ui（ s） =1LC2s2+RC2s+1+C2/C1（ 2）式 （ 2） 中 ， R 的 数 值 难 以 通 过 理 论 分 析 确 定 ，但可通过改变输出频率 ， 测量其对应的波形幅值 ，以拟合逆变器幅频特性 [2] ， 并通过式 （ 2） 得出数值 。3 控制系统设计3.1 重复 PI 控制为 有 效 消 除 控 制 系 统 内 周 期 性 的 扰 动 和 误差 ， 可采用重复控制 ， 它是一种基于内模原理的控制策略 。 图 2 为重复控制结构框图 。重复控制器内模产生函数的离散形式为 ：u（ z）e（ z） =11- Q（ z） z-N （ 3）Q（ z） 用 来 增 强 系 统 的 稳 定 性 ， 为 了 简 化 设 计多取为 0.95 （ 接近于 1）。 因此其差分方程为 ：u（ k） =0.95 u（ k- N） +e（ k） （ 4）由式 （ 4） 可知 ， 重复控制器的输出量每隔一个周 波 削 弱 5% 后 再 累 加 当 前 的 误 差 量 。 其 实 质 是对误差量逐周期的准积分 。 框图中补偿器 C（ z） 的作 用 是 提 供 相 位 补 偿 和 幅 值 补 偿 ， 抵 消 二 阶 LC滤波器的谐振峰值 ， 以保证重复控制系统的稳定 ，并在此基础上改善波形校正效果 。 但因重复控制自身存在着缺陷 ， 其控制指令要滞后一个周波才能输出 ， 此周期干扰至少要到下一个周期才能消除 ， 而在此周期内近似处于开环状态 。 因此当系统负载有非周期性变化 ， 比如突加负载时 ， 系统的动态性能往往难以达到设计要求 。传 统 PI 控 制 器 无 法 对 正 弦 指 令 电 流 无 静 差跟踪 ， 而且其谐波抑制能力较差 ， 因此在使用上受到一定限制 。 以上重复控制基于内模控制原理 ， 可对周期性信号进行无静差跟踪 [3] 。根据 传 统 PI 控 制 及 重 复 控 制 两 者 的 优 缺 点 ，将重复控制叠加到 PI 控制器上 ， 设 计 出 一 种 新 的复合控制方法 。 它结合了重复控制稳态精度高和PI 控制动态响应快的优点 。在系统稳态时采用重复控制 ， 在 负 载 出 现 突变 的 第 一 个 周 波 内 时 ， 并 入 PI 调 节 器 ， 加 快 动 态响应 。 由于重复控制器在第二个周波就能产生相应的调节作用 ， 为避免两个调节器之间的相互影响 ， 造 成 输 出 的 畸 变 ， PI 调 节 器 在 第 一 个 周 波 结束时的过零点就将调节量清零 ， 平滑退出 。 这样便可在不影响重复控制稳态性能的情况下 ， 提高系统的动态指标 。 这样在改善波形质量的同时 ， 又保证了系统具有较好的动态响应能力 [4]。 系统的结构框图如图 3 所示 。3.2 DSP 逆变控制采 用 DSP IC30F6010 芯 片 作 为 光 伏 系 统 逆 变器的控制核心 。 它是一款集 16 位单片机控制特点和 DSP 功 能 于 一 身 的 新 型 芯 片 ， 不 仅 保 留 了 单 片机 的 基 本 性 能 ， 丰 富 了 外 围 模 块 ， 还 具 有 DSP 的高速运算能力 。DSP 逆 变 控 制 电 路 框 图 如 图 1 所 示 。 采 用 电流霍尔传感器对输出电流进行采样 ， 传感器的输出 信 号 经 处 理 后 送 入 DSP A/D 转 换 单 元 ， 并 将 结果 存 入 DSP 中 ， 由 此 得 到 输 出 电 流 的 反 馈 信 息 。将反馈信息与给定值进行比较 ， 得到偏差信号 。 将偏 差 信 号 及 给 定 信 号 依 照 一 定 的 算 法 进 行 计 算 ，得到脉宽控制量 。 控制算法采用重复控制加 PI 控制的方法 ， 前者保证输出波形的稳态特性 ， 后者保证输出波形的动态性能 。由脉宽控制量可计算出当前时刻的 SPWM 波的占空比 ， 使输出波形的占空比按正弦规律变化 ，得到高频 SPWM 波 。 因为全桥逆变的上下桥臂不能 直 通 ， 必 须 在 DSP 的 PWM 输 出 中 加 入 相 应 的死区时间 。 死区时间的加入 ， 需在软件编程时 ， 对DSP 内的死区寄存器进行设置 。 高频 SPWM 波输出 至 驱 动 电 路 ， 产 生 按 正 弦 规 律 变 化 的 SPWM波 ， 再经 LC 滤波 ， 输出正弦电流 ， 供给负载 。4 仿真研究 [5]利 用 Matlab 环 境 下 的 工 具 箱 Simulink ， 建 立模型如图 4 所示 。图 2 重 复 控 制 结 构 框 图在离散域中对复合控制系统进行仿 真 ， 仿 真波形如图 5 所示 。 由图可见 ， 相对于 单 纯 PI 控 制器 ， 采用复合控制器使逆变输出电流的畸变率大幅度降低 。 图 5a 的效果要优于图 5b。 单纯 PI 控制器 在 系 统 稳 定 前 提 下 系 统 侧 的 电 流 畸 变 率 THD =1.69% ， 在同样的负载条件下 ， 采用复合控制后 ， 系统侧 THD 降低到 0.98% ， 如 图 5d 所 示 ， 波 形 的 平滑度得到改善 。 仿真结果表明采用复合控制后 ， 系统的稳态精度大幅提高 。5 实 验在 1 台 （ 50± 5） Hz， 输出电压 220 V， 200 VA 逆变电源上进行实验 。 逆变电源的主要参数 ： 直流输入电压为 24 V ， 基波周期 4 s， 开关频率为 18 kHz， 死区时间为 0.2 μ s。 使用 DSP IC30F6010 实现上述控制 方 案 。 使 用 cosφ =0.85 的 阻 感 性 负 载 进 行 稳 态和动态性能实验 。图 6a， b 示 出 传 统 PI 控 制 的 逆 变 输 出 电 压 、电流波形 ， 可见电流波形在过零处有振荡并有较大的相移 ， 这是由于死区效应引起的 失 真 和 PI 控制开环增益不能太大导致的 ； 图 6c， d 示出重复 PI控制的逆变输出电压 、 电流波形 ， 可见电流失真明显减小 ， 功率因数也得到提高 。 实验结果表明 ， 该方案保持了重复控制良好的稳态特性 ， 同时明显改善了系统的动态性能 。6 结 论由于开关管压降 、 驱动电路延时差异 ， 以及死区等影响 ， 单相离网逆变器的输出电流中会存在大量的低次谐波 ， 传统 PI 控制器 谐 波 抑 制 能 力 有限 ， 且无法对正弦指令电流无静差进行跟踪 ， 而通过 重 复 PI 的 复 合 控 制 能 有 效 地 改 善 其 离 网 电 流波形 。 此处给出了单相离网逆变器电流环复合控制器设计方法 ， 并对比分析了 PI 控 制 器 与 复 合 控制器的性能 。 最后通过 Matlab 仿真和实验进行了验证 。 理论分析和实验及仿真结果均表明 ， 所采用的 复 合 控 制 算 法 能 得 到 更 加 平 滑 的 逆 变 波 形 ， 有效地改善单相离网逆变器的输出电流波形 ， 具有较高的实用价值 。参考文献[1] 王成智 ， 邹旭东 ， 许 赟 ， 等 ． 采 用 改 进 重 复 控 制 的 大 功率电力电子负载 [J]. 中国电 机 工 程 学 报 ， 2009， 29（ 12）：1-9 ．[2] 孙 朝 辉 ， 李 剑 ， 段 善 旭 ， 等 . 逆 变 器 的 逆 传 函 及 其 在重复 PD 控制中的应用 [J].电力电子技术 ， 2003， 37（ 2）：72-74.[3] Zhang Kai， Kang Yong， Xiong Jian， et a1． Direct RepetitiveControl of SPWM Inverter for UPS Purpose [J] ． IEEETrans． on Power Electronics， 2003， 18（ 3）： 784-792 ．[4] 吴 浩 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