劉國(guó)聯(lián)

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南省株洲市 412000）

近年來(lái)，我國(guó)微電網(wǎng)發(fā)展迅速，在多個(gè)地區(qū)鋪設(shè)，成為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞑豢扇鄙俚囊徊糠諿1]。為了保證微電網(wǎng)得以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，構(gòu)建儲(chǔ)能系統(tǒng)是當(dāng)前重點(diǎn)開展工作。主電源是儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心，電源逆變器在很大程度上決定了供電質(zhì)量[2-3]。以往提出的主電源逆變器控制算法不滿足獨(dú)立控制要求，電壓控制偏差較大。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制算法存在的不足，本文引入電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)、電壓外環(huán)控制方法，提出新的算法研究。

1 微電網(wǎng)中主電源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

離網(wǎng)型三相逆變器在微電網(wǎng)供電中應(yīng)用較多，本文選擇該設(shè)備作為研究對(duì)象，依據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理，提出控制算法。逆變器電感、電阻等零件采用星形連接方式組建而成。其中，L 代表逆變器的交流側(cè)電感，L0代表逆變器的負(fù)載側(cè)電感，兩者對(duì)應(yīng)的寄生電阻依次為R、R0。假設(shè)此類型逆變器在作業(yè)過(guò)程中三相負(fù)載皆處于平衡狀態(tài)，將輸出電流數(shù)值作為逆變器的擾動(dòng)輸入?yún)?shù)數(shù)值，能夠生成關(guān)于交流側(cè)電壓的傳遞函數(shù)，利用此函數(shù)可以得出逆變器作業(yè)期間的諧振狀態(tài)信息。

2 主電源逆變器控制算法

2.1 雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)

本文針對(duì)離網(wǎng)型逆變器控制需求，將電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)、電壓外環(huán)控制方法植入逆變器控制體系中，形成雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其框架設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 中，逆變器雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)由外環(huán)控制器、內(nèi)環(huán)控制器、控制對(duì)象3 部分組成，本系統(tǒng)的雙閉環(huán)體現(xiàn)在外環(huán)控制結(jié)構(gòu)和內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。

2.2 電感電流反饋內(nèi)環(huán)控制

本文提出的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)中，利用電壓外環(huán)控制逆變器的輸出電壓，該控制體系不支持電流直接控制。為了實(shí)現(xiàn)電流直接控制，本控制體系增加了電感電流反饋內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)，成為了雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。離網(wǎng)型逆變器作業(yè)期間濾波器諧振現(xiàn)象較為頻繁，通過(guò)布設(shè)內(nèi)環(huán)控制體系，可以很好的抑制諧振。關(guān)于內(nèi)環(huán)控制的傳遞函數(shù)為：

公式（1）中，s 代表拉普拉斯運(yùn)算符。按照公式（1）中的內(nèi)環(huán)控制關(guān)系，計(jì)算諧振頻率和阻尼系數(shù)，分別為。

圖1：雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)

在原有逆變器控制體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，添加內(nèi)環(huán)控制模塊以后，電感寄生電阻中加入了新的電阻P，使得逆變器系統(tǒng)阻尼系數(shù)得以增加，相比于改變前，運(yùn)行穩(wěn)定性更強(qiáng)。

2.3 復(fù)合控制電壓外環(huán)函數(shù)

本文提出的電壓外環(huán)控制模塊是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，支持重復(fù)控制，在閉環(huán)重復(fù)控制體系中，能夠根據(jù)逆變器所處作業(yè)環(huán)境情況，做出實(shí)時(shí)調(diào)控方案，以此消除特殊情況下電壓偏差，使得逆變器控制精準(zhǔn)度更高。

“糧食銀行”破解了農(nóng)民儲(chǔ)糧、賣糧難題，也減輕了運(yùn)營(yíng)主體的資金壓力。原糧供應(yīng)多了，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)糧源也穩(wěn)定了。

重復(fù)控制技術(shù)建立在內(nèi)?？刂苹A(chǔ)上，通過(guò)擾動(dòng)處理，重復(fù)多次對(duì)信號(hào)進(jìn)行修正，使得輸出信號(hào)得以更加準(zhǔn)確的還原。在本文研究的主電源逆變器控制算法中，重復(fù)控制技術(shù)用于消除控制體系中生成的非線性負(fù)載擾動(dòng)信號(hào)，使得輸出電壓波形與實(shí)際波形更加貼合。

本文提出的重復(fù)控制器分為前饋和反饋兩部分，借助低通濾波器減弱高頻積分，通過(guò)合理設(shè)置比例闡述，以此有效限定系統(tǒng)積分，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，使其更加有效地控制逆變器，實(shí)現(xiàn)主電源靈活控制。以下為重復(fù)控制技術(shù)下的電壓外環(huán)函數(shù)：

公式（2）中，τ 代表低通濾波器作業(yè)時(shí)間；K 代表控制結(jié)構(gòu)的比例常數(shù)；T 代表主電網(wǎng)基波周期；Kf代表控制結(jié)構(gòu)反饋和前饋系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)零誤差信號(hào)跟蹤，提高諧振點(diǎn)增益，本文在公式（2）函數(shù)基礎(chǔ)上，采取“無(wú)靜差”處理方法，以提高信號(hào)跟蹤精準(zhǔn)度。目前，“無(wú)靜差”處理方法較為成熟，此處不做過(guò)多介紹，得到重復(fù)控制傳遞函數(shù)：

公式（3）中，Kp代表控制結(jié)構(gòu)比例常數(shù)；ω 代表基波角頻率；Ki代表積分常數(shù)；ωc代表截止頻率。

與未改變前，PR 控制器對(duì)系統(tǒng)增加帶寬幫助較大。當(dāng)微電網(wǎng)作業(yè)頻率發(fā)生小幅度變化時(shí)，本文提出的逆變器控制系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生較大變化。

3 主電源逆變器控制函數(shù)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 內(nèi)環(huán)控制與復(fù)合控制函數(shù)

依據(jù)前文提出的內(nèi)環(huán)控制函數(shù)和復(fù)合控制函數(shù)，設(shè)計(jì)開環(huán)傳遞函數(shù)：

對(duì)應(yīng)的閉環(huán)函數(shù)為：

通過(guò)求取特征方程，按照勞斯判據(jù)，得到各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。按照此關(guān)系確定主電源逆變器參數(shù)。本文以P、Ki、ωc、Kp依次為2.49、10、15、0.039 這組數(shù)據(jù)為例，分析閉環(huán)傳遞函數(shù)零極點(diǎn)分布情況。根據(jù)函數(shù)點(diǎn)分布情況可知，所有點(diǎn)均分布在圓內(nèi)部。因此，本文提出控制函數(shù)運(yùn)行得到的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，符合逆變器控制需求。

3.2 重復(fù)控制傳遞函數(shù)及控制條件

另外，本文提出的改進(jìn)算法還增加了重復(fù)控制模塊，包括反饋環(huán)節(jié)和前饋環(huán)節(jié)。關(guān)于控制函數(shù)功能的實(shí)現(xiàn)，以Kf、τ、K3 個(gè)參數(shù)為主要設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)控制需求擬定設(shè)置方案。

（1）τ 參數(shù)的設(shè)置。該參數(shù)值的設(shè)定與低通濾波器作業(yè)效果密切相關(guān)，通過(guò)限定此數(shù)值，削弱高頻積分?？紤]到低通濾波器截止頻率參數(shù)值不得高于電路高頻諧振點(diǎn)數(shù)值，本文研究的三相逆變器中低通濾波器中此參數(shù)的最小值為500Hz，依據(jù)各項(xiàng)參數(shù)之間的關(guān)系，取時(shí)間數(shù)值τ 數(shù)值為3.18×10-4。

（2）Kf參數(shù)的設(shè)置。該參數(shù)的設(shè)置與系統(tǒng)諧振波動(dòng)性能密切相關(guān)，依據(jù)反饋和前饋兩個(gè)環(huán)節(jié)控制器連接方式，分析諧振頻率及峰值變化情況。當(dāng)系統(tǒng)加入內(nèi)環(huán)控制模塊后，產(chǎn)生的諧振波形將隨之發(fā)生變化。當(dāng)Kf數(shù)值減小時(shí)，系統(tǒng)頻率波動(dòng)適應(yīng)性逐漸增強(qiáng)。所以，根據(jù)系統(tǒng)抗諧振波動(dòng)需求，即諧振帶寬和增益參數(shù)數(shù)值控制范圍需求，合理設(shè)置Kf數(shù)值。

（3）K 參數(shù)的設(shè)置。該項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置與控制器累加處理功能密切相關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定性提高時(shí)，系統(tǒng)靜差就會(huì)隨之增加，如何控制二者之間的關(guān)系成為了算法研究的關(guān)鍵。通常情況下，K 參數(shù)取值不得高于1，在滿足系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定條件下，調(diào)整K 數(shù)值，要求該數(shù)值為基波頻率的整數(shù)倍。對(duì)于本文研究的逆變器重復(fù)控制體系，此參數(shù)的設(shè)置等效于系統(tǒng)諧振，為了保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，綜合考慮內(nèi)環(huán)控制要求和外環(huán)控制要求，設(shè)計(jì)開環(huán)控制函數(shù)：

依據(jù)小增益定理，分析公式（6）不等關(guān)系，得出一個(gè)關(guān)于K參數(shù)值的不等式：

綜合考慮公式（6）和公式（7）關(guān)系，得出系統(tǒng)得以穩(wěn)定運(yùn)行的充分條件：

4 測(cè)試分析

4.1 測(cè)試內(nèi)容

本文選取PR 控制器應(yīng)用下的閉環(huán)控制算法作為對(duì)照組，本文提出的改進(jìn)控制算法為實(shí)驗(yàn)組，通過(guò)對(duì)比兩種算法在模擬應(yīng)用中的電壓偏差、電壓諧波抑制情況得出相應(yīng)結(jié)論。

圖2：電流內(nèi)環(huán)控制應(yīng)用前后電壓波形對(duì)比結(jié)果

圖3：重復(fù)控制下的外環(huán)控制電壓諧波失真對(duì)比結(jié)果

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

按照測(cè)試內(nèi)容要求，本研究對(duì)PR 控制器閉環(huán)控制算法和本文提出改進(jìn)算法應(yīng)用下的逆變器輸出電壓偏差進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)量時(shí)間為0.3s ～0.45s 范圍時(shí)，對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的電壓偏差較大，其他時(shí)間產(chǎn)生的電壓偏差較小，實(shí)驗(yàn)組應(yīng)用的控制算法優(yōu)勢(shì)顯著。因此，本文提出的改進(jìn)控制算法得到的輸出電壓偏差更小，達(dá)到了改善傳統(tǒng)控制算法的目的。

另外，本文分別對(duì)改進(jìn)控制算法的兩個(gè)閉環(huán)控制體系作用進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2 和圖3所示。

圖2 中，左側(cè)圖為未使用電流內(nèi)環(huán)控制的電壓波形，右側(cè)圖為使用電流內(nèi)環(huán)控制的電壓波形。對(duì)比左側(cè)圖和右側(cè)圖可知，改進(jìn)算法中的電流內(nèi)環(huán)控制體系的應(yīng)用，能夠有效控控制電壓，使其按照微電網(wǎng)供電需求，對(duì)逆變器進(jìn)行有效操控。

圖3 中，左側(cè)圖為未使用外環(huán)控制的電壓諧波測(cè)試結(jié)果，右側(cè)圖為使用外環(huán)控制的電壓諧波測(cè)試結(jié)果。對(duì)比左側(cè)圖和右側(cè)圖可知，改進(jìn)算法中的外環(huán)重復(fù)控制能夠起到抑制諧波失真的作用，較未使用時(shí)降低了2.29%干擾率。

5 總結(jié)

本文圍繞微電網(wǎng)中主電源逆變器控制問(wèn)題展開研究，通過(guò)分析傳統(tǒng)控制算法應(yīng)用中存在的問(wèn)題，引入雙閉環(huán)控制思路，提出改進(jìn)算法。此算法主要由電感電流反饋內(nèi)環(huán)控制函數(shù)、復(fù)合控制電壓外環(huán)函數(shù)兩部分組成，分別起到降低電壓偏差和抑制諧波作用。測(cè)試結(jié)果表明，本文提出的改進(jìn)算法不僅可以有效降低電壓偏差幅度，而且還能夠抑制電壓諧波，避免電壓諧波失真，影響逆變器控制效果。