并网逆变器的电流控制方法.docx

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并网逆变器的电流控制方法

并网逆变器的电流控制方法

陈敬德，1140319060；杨凯，1140319070；指导老师：

王志新

（上海交通大学电气工程系，上海，200240）

摘要：

并网逆变器是光伏发电系统的一个核心部件，其控制技术一直是研究的热点。

其使用的功率器件属于电力电子设备，它们固有特性会对系统产生不利的影响，为了防止逆变器中的功率开关器件处于直通状态，通常要在控制开关管的驱动信号中加入死区，这给逆变器输出电压带来了谐波，对电网的电能产生污染。

本文对传统的控制方法重复控制、传统的PI控制、dq轴旋转坐标控制、比例谐振控制进行了总结分析，并比较了它们的优缺点。

关键词：

并网逆变器，重复控制，传统的PI控制，dq轴旋转坐标控制，比例谐振控制

0引言

随着现代工业的迅速发展，近年来全球范围内包括煤、石油、天然气等能源日益紧缺，全球将再一次面临能源危机，同时，这些燃料能源的应用对我们所生活的周围环境产生了严重的影响。

环境问题受到了人们的广泛关注，为了解决能源紧缺以及环境污染问题，寻找可再生能源是解决这一问题的有效方式。

太阳能因其清洁，无污染的优势受到了人们的青睐，太阳能光伏发电是目前充分利用太阳能资源的主要方式之一。

太阳能发电主要有单独运行和并网运行两种模式，其中并网运行发展速度越来越快，应用的规模也愈来愈大[1]。

逆变器是光伏发电系统中的关键部件，逆变器的工作原理是通过IGBT、GTO、GTR等功率开关管的导通和关断，把直流蓄电池电能、太阳能电池能量等变换为电能质量较高的交流电能，可以把它看成是一种电能转换设备。

功率开关管的开关频率一般都比较高，因此利用它们进行电能转换的效率也比较高，但有一个很大的缺点是由它们组成的逆变系统的输出电能却不理想，其输出的波形中包含了很多对电能质量产生不利的方波，而很多场合都要求其输出的是一定幅值和频率的正弦波，所以要寻找更好的控制策略来提高逆变器的电能质量，让其输出各项性能指标都满足要求的波形。

目前所用的逆变器可以分为以下两类：

一类是恒压恒频逆变器，这类逆变器在各种电源持续供电的领域应用广泛，它能够输出电压幅值和频率都是特定值的交流正弦波，简称CVCF逆变器。

第二类是变压变频逆变器，这种逆变器主要用在电动机的调速系统中，它能够输出特定的幅值电压和频率，简称VVVF逆变器[2]。

本文将对并网逆变器的几种常见控制方法进行总结，如传统的PI控制、基于dq旋转坐标系的控制、重复控制及比例谐振控制。

给出了框图和数学模型，并指出了它们各自的优缺点。

1重复控制

1.1重复控制思想

重复控制是基于内模原理的一种控制方法。

所谓内模原理，即在一个闭环调节系统中，在其反馈回路中设置一个内部模型，使该内部模型能够很好的描述系统的外部特性，通过该模型的作用可使系统获得理想的指令跟踪特性，具有很强的抗干扰能力[3-4]。

基于重复控制的算法在逆变器中得到了广泛的应用[5-7]。

其基本思想是假设前一个基波周期中出现的波形畸变将会在下一个基波周期的同一时间重复出现，在此假设条件下，控制器根据每个开关周期给定信号与反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上，以消除以后各基波周期中出现的重复畸变[8]。

内模所起的作用就相当于是一个任意信号发生器，即使是给定的指令信号趋于0时，其依然能够持续不断地输出控制信号，以维持合适的控制作用。

重复控制能够很好的抑制波形中出现的周期扰动，但是对于系统中的非周期性扰动作用不大[9]。

然而，由功率器件的死区以及非线性负载给逆变器系统带来的影响都具有周期性，因此利用重复控制的这个特性能够很好的解决这些问题，提高逆变系统的性能。

根据我们所学的经典控制理论，若系统中含有积分环节，那么它就能够无误差的跟踪阶跃输入，而且对积分环节之前的阶跃干扰也有很好的抑制作用。

事实上积分环节可以看成是系统的内模，因闭环系统中的积分环节包含了阶跃输入的模型，从而可以实现精确无误差地跟踪阶跃输入信号。

如果控制系统内模的数学模型所描述的是周期性的信号，那么闭环系统对周期性的扰动具有很好的抑制作用，若给定指令或扰动信号只是单一频率的正弦信号，系统的内膜中只要包含有正弦的数学模型：

（1-1）

就能够实现精确跟踪指令信号。

如果指令信号或扰动信号中还包含其它频率的信号，这种情况下，若要实现精确无误差跟踪，只能通过在内膜中加入多个描述特定频率信号的数学模型，若信号所包含的频率成分较多，所需要的内模数量就很多，这给系统的控制带来了一定的困难。

为此就要寻找一种能够描述频率成分较复杂的信号的内模，分析可知，虽然扰动信号的频率成分复杂，但都具有重复性的特点，而且在每个基波周期都以完全相同的波形出现。

针对这种复杂的信号，可选择式（1-2）作为系统的内模：

（1-2）

T为给定信号的周期，式（1-2）所描述的是一个周期延迟正反馈环节，无论给定信号的形式如何，只要重复的出现，而且频率与基波频率的倍数，那么该内模就会逐周期累加输入信号。

即使在给定信号衰减为0时，系统依然能够输出跟前一个周期相同的信号，内模所起的作用和积分环节相似，区别仅在于内模是以基波周期为单位对给定信号进行累加的，所以这种形式的内模能够实现对多种频率信号的跟踪。

采用这种特殊形式的内模的闭环控制系统被称为重复控制系统[10]。

由于上式中的延时环节采用模拟器件实现起来比较困难，因而在实际应用中都是使用它的离散形式来实现的，如下式（1-3）所示：

（1-3）

1.2重复控制器结构

内模控制是重复控制系统的关键部分，它的特点是：

能够输出稳定持续的控制信号，当系统中的内模是理想内模时，即使外部给定指令为0，内模也能够重复输出前一周期的信号。

但是理想内模存在单位圆上的极点，这使得系统处于临界稳定状态，在实际中这种临界状态不可取，当被控对象的参数发生变化时就有可能导致系统不稳定，图1所示的为重复信号发生器基本框图：

图1重复信号发生器

因为图1所给出的重复信号发生器存在临界稳定状态，不利于系统的控制，

所以在应用中常对内模进行改进，如图2所示：

图2改进型重复信号发生器

图2中，Q（z）为一阶低通滤波器或者略小于1的常数。

由图4-2输入和输出之间的关系为：

（1-4）

若取Q（z）=0.95，则由上式可得：

（1-5）

将1-5式展开得

（1-6）

在图2改进后的内膜上面，加入周期延时环节-和补偿器C（z）就构成重复控制系统，其基本结构如下图3所示。

图3重复控制系统框图

图3中：

R为参考输入信号

Y为输出信号

E为偏差信号

N为每个基波周期的采样次数

为周期延迟环节

Q（z）为常数或一阶低通滤波器

C（z）为补偿器

P（z）为被控对象

上面图3中，系统检测到参考输入指令信号R和输出信号Y之间的偏差信号，然后内模对检测到的偏差信号逐周期进行积分，把以前的偏差储存起来，即使检测到的误差为0时，系统仍然能够不断输出控制信号，控制信号经过补偿器的校正后，得到幅值和相位正确的控制信号，然后在下一个周期把控制信号加到控制对象上，以消除扰动的影响。

2重复PI控制

2.1重复PI控制的思想

逆变器作为发电系统中实现直流到交流变换的关键元件，因其输出电压直接并入电网供负载使用，希望它输出的电能质量越高越好。

光伏发电系统不仅要具有高精度的稳态响应，同时还希望它具有快速的动态响应速度。

对系统的动态要求主要是希望系统能够快速的跟踪给定的电压指令，在其所供的负载发生变化时能够快速的达到新的稳定状态。

前面已经介绍，重复控制能够抑制输出波形的畸变，提高系统的稳态精度。

重复控制抑制畸变的原理是先把前一个周期检测的误差储存起来，然后在下一个基波周期开始时刻把前一周期的信号累加后输出控制信号对误差产生校正作用。

但是从重复控制系统的结构图中我们可以看到在重复控制系统的前向通道中包含有一个环节，这个周期延迟环节使得控制信号延迟一个周期输出，导致重复控制在得到误差信号后并不能立即发挥作用，而是延迟到下一个周期的某个时刻才产生作用，这样的话，若控制系统中有扰动存在，在扰动的第一个基波周期时间内，系统对扰动并不产生调节作用，系统处于一种开环状态，而且重复控制对误差的积分是逐周期进行的，所以重复控制系统存在动态性能不佳的缺陷[11-12]。

为了使并网逆变系统具有良好的动态性能和稳态性能，本文采用重复PI控制策略，在该控制策略中一种控制的主要作用是致力于提高逆变器的动态特性，另一种控制的主要作用则是提高系统的稳态性能，抑制重复性扰动，两者各司其职，且互为补充，全面提升系统的性能。

因为PI控制在对误差进行调节时是以开关周期为单位进行的，而重复控制则是以基波周期为单位进行调节的，这两个控制的调节速度不同步，重复控制和PI控制这两个控制在时间上是相互独立的。

当系统运行达到稳定时，输出与给定指令之间的误差相对比较小，PI控制基本不对系统产生调节作用，系统的控制主要由重复控制来完成。

当系统中所出现的扰动作用比较大时，输出与给定之间的误差突增，重复控制器由于存在一个基波周期的延迟，其输出不会发生突变，这就使系统无法快速的跟踪给定，此时由PI控制器检测到输出与给定的误差突变并立即输出控制信号对误差进行控制。

2.2PI电流控制器的设计

PI调节在工程上应用非常广泛，也是我们所熟悉的控制中最成熟的一种调节，其简单直观，容易数字化实现，对于逆变器，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。

可以用一个惯性环节来表示逆变器的传递函数如式4-21表示。

（2-1）

其中：

表示逆变器的放大系数

表示延迟时间常数

S表示复频域因子

其在d、q旋转坐标系下的控制框图如下所示：

图4旋转坐标下的控制框图

图中，为d轴，q轴的电流指令

、为三相电网电压矢量的d、q分量可以看成系统的扰动输入

、为变换到d轴、q轴并网电流

为电流环的PI控制器

为滤波器

由上图可以得到的、的表达式

（2-2）

（2-3）

式（2-2）和（2-3）可以看出不仅电网电压的d、q分量、的对系统的输出产生作用，同时还有来自d、q轴之间的耦合和扰动对系统产生影响。

为了使系统能够输出高质量的波形，需要解决这些不利因素的影响，对于d、q轴间电流的耦合干扰可以通过采用反馈的方法解除它们之间耦合作用。

而对于电网电压带来的扰动可以通过设计电压前馈补偿，进一步提高系统的性能。

由于d轴与q轴的并不是完全独立的，由式（2-2）和（2-3）可知d轴与q轴之间的相互作用为：

（2-4）

（2-5）

d轴与q轴电流之间的相互作用对三相并网系统整体性能都产生不利的影响，因此需要利用解耦控制来实现d轴与q轴电流之间真正的解耦，使其相互独立，如图5所示。

图5d轴与q轴解耦控制框图

加入前馈补偿后d轴和q轴电流的相互影响为：

（2-6）

（2-7）

由式（2-6）和（2-7）可以得出若取,那么耦合就不会对输出的电流产生影响，也就解除了d轴和q轴电流之间的耦合。

经过解耦后d轴和q轴的相互影响就完全消失了，就可以单独地控制d轴和q轴的电流，同时把采样环节和反馈环节的延迟考虑进去可以写出d轴和q轴的电流控制框图如图6所示：

图6d轴控制框图

表示变换器时延

是反馈环节和采样环节时延，取反馈环节时延

表示变换器放大倍数

合并系统的各种延迟环节，因为功率开关管的频率很高，经过处理后可以用下式

来描述逆变器和延迟环节：

则d轴控制框图就变成如下简化图7所示：

图7d轴简化控制图

由上面的d轴简化控制框图可以求得系统的前向通道传函为：

（2-