鄭喻，牛歡歡，付登昊

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

基于比例諧振控制器的逆變控制系統(tǒng)研究

鄭喻，牛歡歡，付登昊

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

針對傳統(tǒng)的PI控制不能實現(xiàn)正弦信號的無差調(diào)節(jié)，提出了基于比例諧振控制控制器的電網(wǎng)電流外環(huán)、濾波電容電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略，通過在matlab/simulink中搭建仿真模型來驗證所提出的控制策略的正確性和可行性。

比例諧振；電流外環(huán)；電壓外環(huán)

1 引言

隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)的不斷改進和應(yīng)用，對其輸出電壓波形的要求也越來越高，然而高質(zhì)量的電壓輸出波形不僅要穩(wěn)態(tài)精度高而且要響應(yīng)速度快[1，2]，因此，對三相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)控制器的研究就顯得尤為重要。通常研究較多的是兩相旋轉(zhuǎn)坐標下的PI控制，因為這種控制的控制量是旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流量，相對而言控制比較簡單，但是由于PI控制在兩相旋轉(zhuǎn)坐標下的系統(tǒng)dq軸間是相互耦合的，要想實現(xiàn)無功有功的獨立控制，就需要對系統(tǒng)進行解耦控制，而解耦控制的精確與否將直接影響系統(tǒng)的控制性能，這將使得控制系統(tǒng)的設(shè)計變得復(fù)雜[3]。因此，本文將對基于比例諧振(PR)控制器[4]進行研究，這種控制方法是將三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)通過Clark變化轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標系αβ下，此種方法減少了dq旋轉(zhuǎn)坐標變換和復(fù)雜的解耦控制，使控制器設(shè)計變得簡單。

2 基于雙電流環(huán)的并網(wǎng)控制策略

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中，電網(wǎng)可以近似等效為一個無窮大的電壓源，這樣整個光伏發(fā)電系統(tǒng)就可以看作是電壓源與電壓源的并聯(lián)，為了保證系統(tǒng)并網(wǎng)的穩(wěn)定運行，需要保證逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓相位和頻率的一致，因此本文所采用的電網(wǎng)電流外環(huán)電容電流內(nèi)環(huán)的雙電流控制方法，只要保證從逆變電路輸出的進網(wǎng)電流跟隨電網(wǎng)電壓的變化，與電網(wǎng)電壓保持頻率和相位相同，即可實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并列穩(wěn)定運行的目的，圖1是三相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

2.2 控制器參數(shù)的選取

為了使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，就需要為內(nèi)外環(huán)控制器選擇合適的參數(shù)。由于電流控制的響應(yīng)速度比電壓控制的響應(yīng)速度快很多，雙電流控制器的設(shè)計就不能像電壓、電流控制那樣分別設(shè)計內(nèi)、外環(huán)控制器的參數(shù)。因此，對于電網(wǎng)電流外環(huán)、電容電流內(nèi)環(huán)的雙電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)采用極點配置的方法[5-6]。

圖1 光伏系統(tǒng)雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

本文采用了基于并網(wǎng)電流外環(huán)，電容電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，圖2是控制結(jié)構(gòu)框圖，圖中G1=Kp+Kis/(s2+w02)為外環(huán)控制器，實現(xiàn)系統(tǒng)無誤差的跟蹤并網(wǎng)電流正弦參考信號；G2(s)=Kc為內(nèi)環(huán)控制器，其作用是增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，更加自由的分配閉環(huán)極點的位置，增大系統(tǒng)阻尼比的選擇范圍。

圖2 雙閉環(huán)控制框圖

根據(jù)圖4.11，可得系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(1)

式中：

(2)

一般情況下，由于慣性時間常數(shù)T很小，可以忽略不計，由此可得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

(3)

由此，得到系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程為：

D(s)=B0s4+B1s3+B2s2+A0s+A1

(4)

(5)

比較式(4)和式(5)，得到：

(6)

由式(2)看B2/B0出只與LCL濾波器參數(shù)有關(guān)，因此當LCL濾波器參數(shù)確定了之后，B2/B0為一定值。因此根據(jù)給定的m、n、ξ、ωn中的任意三個，由式(6)中的B2/B0式便可求出另一個，再將m、n、ξ、ωn代入式(6)即可求出電流雙環(huán)內(nèi)外環(huán)控制器的參數(shù)。最后，將求出的控制器參數(shù)代入勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)式(7)。

(7)

設(shè)計的控制器參數(shù)只要滿足式(7)，系統(tǒng)就能穩(wěn)定的運行。

3 三相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)仿真分析

為了驗證基于比例諧振控制的正確性，在Matlab/simulink中搭建系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示。仿真參數(shù)設(shè)置為：輸入直流電壓Udc為700V，電網(wǎng)電壓為220V/50Hz，光伏發(fā)電系統(tǒng)額定功率Pn為10kVa，開關(guān)頻率fsw為5kHz，逆變器側(cè)電感L1為4mH，濾波電容C2為20uF，網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)L2為1mH。圖4為PR控制器的仿真模型，其選取的控制器參數(shù)為：KP=0.56，KR=50.16，KC=38.85。

本文中所采用的兩相靜止坐標系下的PR控制相比于兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的PI控制，不需要復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標變換和解耦控制就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的有功和無功的單獨控制。圖5～圖7是基于準比例諧振的并網(wǎng)控制的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，并網(wǎng)電流電壓都是以一個穩(wěn)定的幅值進入電網(wǎng),系統(tǒng)的有功和無功之間不存在耦合，進網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓始終保持著同頻同相，系統(tǒng)功率因數(shù)接近1，從而說明了文章中所采用的控制策略的正確性。

圖3 三相光伏并網(wǎng)逆變仿真模型

圖4 PR控制器的Matlab仿真模型

圖5 進網(wǎng)電壓電流有效值

圖6 有功無功曲線

3 結(jié)論

本文通過說明PI控制不能實現(xiàn)正弦信號的無差調(diào)節(jié)，從而引入PR控制器，并采用基于電網(wǎng)電流外環(huán)、濾波電容電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略，通過在Matlab/Sinmlink中搭建了三相光伏逆變并網(wǎng)系統(tǒng)的模型并進行了仿真，驗證了基于電網(wǎng)電流外環(huán)、電容電流內(nèi)環(huán)的雙電流環(huán)控制策略，不僅能夠保證逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，而且三相系統(tǒng)在兩相靜止坐標系下不存在耦合，無需復(fù)雜的解耦，再配合PR控制器，就能夠很好地實現(xiàn)系統(tǒng)有功和無功的獨立控制。

圖7 A相并網(wǎng)電壓電流波形

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Research on an Inverter Control System Based on the Proportional Resonant Controller

ZHENGYu,NIUHuan-huan,FUDeng-hao

(College of Electrical Engineering & New Energy,China Three Georges University,Yichang 443002,China )

For the conventional PI control cannot achieve the non-error adjustment of sinusoidal signal,is proposed based on the proportion resonance control controller grid current outer loop,inner ring of the filter capacitor current inner double-loop control strategy by building a simulation model in the MATLAB/Simulink to verify the correctness and feasibility of the proposed control strategy.

proportion resonance;current outer loop;voltage outer loop

2014-10-14

牛歡歡(1987-)，女，碩士生，研究方向：光伏發(fā)電系統(tǒng)控制。

1004-289X(2015)05-0045-03

TM57

B