第8卷第4期2009年8月 江南大学学报(自然科学版)Journa l of J i angnan Un iversity(Na tura l Sc ience Ed ition)
Vol .8 No .4
Aug . 2009 收稿日期:2009-04-08; 修订日期:2009-05-14。
作者简介:张传宗(1983-),男,安徽淮南人,电力电子与电力传动专业硕士研究生。
3通讯作者:施火泉(1964-),男,江苏苏州人,高级工程师,硕士生导师。主要从事电机控制等研究。
Email:379930743@qq .com
基于重复P I 控制的光伏并网逆变器
张传宗, 施火泉
3
(江南大学通信与控制工程学院,江苏无锡214122)
摘 要:针对传统P I 控制无法实现无静差跟踪的缺点,对逆变器的控制策略进行改进。电压前馈补偿可以抵消电网作用,使系统近似成为一个简单的无源跟随系统。基于内模原理的改进型重复P I 控制策略,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。仿真结果表明,并网电流波形良好,并网电流基本与电网电压同频同相,并网的功率因数近似为1,完全满足设计的要求。
关键词:光伏并网;重复P I 控制;并网电流中图分类号:T M 464文献标识码:A 文章编号:1671-7147(2009)04-0423-04
Study on Photovolta ic Gr id 2Connected Inverter
Ba sed on Repetitive P I Con trol
ZHAN G Chuan 2zong, SH I Huo 2quan
3
(School of Communication and Control Engineering,J iangnan University,W uxi 214122,China )
Abstract:A i m ing at solving the disadvantages that traditional P I control can not realize tracking w ithout steady 2state erro r,the paper i mp roved the control strategy of inverter .The feed 2fo r ward contro l of utility grid vo ltage counteracts the influence of utility grid .The system becom es a si mp le passive tracking system.The i mp roved repetitive control strategy based on internal model theory P I con 2tro l strategy has good robustness and has clear effect to eli m inate wavefo r m disto rtion caused by nonlinear load and o ther periodic interference .
The si m ulation results show the wave of
grid 2connected current is better .The wave of grid 2connected current has the sam e frequency and phase as the utility voltage,and the power facto r of grid connected has app roched to nearly 1and is fully satisfied w ith the design requirem ents .
Key words:photovoltaic grid 2connected,repetitive P I contro l,grid 2connected current
光伏并网发电系统的核心是并网逆变器,其控制系统的设计和控制策略的选取直接影响整个系统的性能和并网电流的质量。为了实现高品质并网电流和单位功率因数,采用基于内模理论的重复P I 控制技术抑制电网对并网输出电流的周期性扰动,
以降低并网输出电流的总谐波畸变系数。
1 主电路结构及工作原理
太阳能光伏并网逆变器的主电路如图1所示[1]
。太阳能电池阵列(亦称为光伏阵列)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SP WM 波,其基波为正弦波,经过电感滤波后,向电网馈入与电网电压同频同相的正弦波电流,实现并网电流的正弦化。图1中采用C,R 串并联结构的目的是为了稳定
直流高电压和均压[2]
。
图1 系统的主电路结构
F ig .1 M a i n c ircu it structure of system
2 并网控制策略
2.1 传统P I 控制
由单相并网结构图可知,对电网电流有
L d I
d t
=U a -U net -I net R
(1)其中,U a 为逆变桥输出电压,U net 为电网电压,I net 为电感电流,R 为滤波电感和电路的等效电阻。其频域形式为
I net (s
)=1
L s +R
(U a (s
)-U net (s
))
=
G 3(s )(U a (s )-U net (s ))
(2)
其中,
G 3(s )=
1
L s +R
,
为滤波器传递函数。若忽略功率开关和死区时间的
非线性影响,SP WM 控制方式下的桥式逆变环节可近似一个线性比例环节。该环节的传递函数为
G 2(s )=
K pwm T pwm s +1
(3)
其中,T pwm 为逆变器的开关周期,K pwm 为逆变器增益,与P I 调节器的最大限幅值有关。
由式1可得到系统的并网电流闭环结构控制图如图2所示。
为了使二阶系统的输出获得理想的动态品质,即该系统的输出量快速完全跟随给定量,根据二阶品质最佳系统[3]
(阻尼比为0.707)的开环传递函数,对P I 参数进行校正,校正后系统的闭环传递函数为
G c (s )=1
1+2T pwm s +2T 2pwm s
2
(4
)图2 电流闭环结构
F ig .2 C losed 2loop structure of curren t
2.2 电网电压前馈补偿的P I 控制
与无源逆变不同,并网逆变器为有源逆变,其负载为电网,因此,在公共节点处,电网电压值可能会因为回路上其他交流负载的变化而发生突变,并网电流波形可能发生畸变。为了抑制电网的瞬时扰动对并网电流的影响,获得较好的抑制电网扰动效
果,系统采用了电网电动势前馈控制策略[4]
,以抵消电网的扰动,使系统近似成为一个无源跟随系统。控制框图如图3所示
。
图3 带前馈补偿的控制框图
F ig .3 C losed 2loop structure of curren t w ith feed
forward com pen sa tion
当电网电压突变(设由U net 变为U net +ΔU net )
时,相应的系统输出并网电流I a 的变化量为
ΔI a =
G 3(s )
1+G 1(s )G 2(s )G 3(s )
ΔU net +
G 2(s )G n (s )G 3(s )
1+G 1(s )G 2(s )G 3(s )ΔU net =
G 3(s )[G 2(s )G n (s )-1]
1+G 1(s )G 2(s )G 3(s )
ΔU net
(5)
即当电网电压前馈补偿环节的传递函数为
424 江南大学学报(自然科学版) 第8卷
G n (s )=
1
G 2(s )
=
1
K pwm
(6)
时,电网电动势的扰动影响可以完全消除。也就是
说,在并网电流给定值为零的情况下,通过前馈补偿控制计算出一个和电网电压相对应的占空比,用来抵消电网电压的影响,使系统近似成为一个无源跟随系统。2.3 重复P I 控制
并网逆变器的输出电流波形控制实质上是一个伺服系统设计问题,系统需要跟踪的指令信号为基波正弦波,而不是一个恒值调节系统;并且需要抑制的扰动信号除了基波外还含有基波频率整数倍的多重谐波,也不是一个恒值扰动信号。因此,采用积分控制的作用是极其有限的,无论是对指令信号还是扰动信号都不可能做到无静差跟踪。因此,必须引入新的控制环节。
重复控制思想为[5]
:在稳定的闭环系统内设置一个可以产生与参考输入同周期的内部模型,从而使系统实现对外部周期性参考信号的渐近跟踪。重复控制系统如图4所示。由于其具备优秀的鲁棒性,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
。
图4 重复控制器的基本结构
F ig .4 Ba sic structure of repetitive con troller
图4中斜线框表示离散重复控制器[628]
,其中
Z -N
为周期延时环节,Q (z )为低通滤波器,S (z )为
补偿器,K r 为增益系数,Z k
为超前补偿环节,k 为超前步长,d 为电网对系统的扰动。P (Z )为2.2节介绍的带有电压前馈补偿的P I 控制。
周期延时环节Z -N
中N 为每个输出基波周期内
对输出电流的采样次数。周期延时环节Z -N
使得控制动作延迟一个基波周期进行,即本周期检测到的误差信息要到下一周期才开始起作用,从而使系统对于周期性指令信号和扰动信号的控制作用具有一定的超前性。Q (z )具有低通特性,对周期性干扰产生良好的抑制作用。Q (z )与系统的收敛速度和收敛程度密切相关,若Q (z )=1,则系统在稳态时将彻底抑制周期性干扰,但考虑到系统的稳定性和鲁
棒性,Q (z )应小于1,故在实际设计时,Q (z )可取为比1稍小的常数,在本系统中取Q (z )=0.95。即上一周期的输出量经过衰减0.95倍和当前误差进行逐基波周期累加。
为了抑制系统的高频干扰,削除被控对象的谐振峰值,使其在谐振点处有较大的幅值衰减,且具有零相移、零增益特性,设计了一种补偿器S (z )必须根据P (z )的特性设置一个补偿器对重复控制系统的性能好坏有着决定性影响。在获得了上一周期的误差信息后,到下一周期该如何给出合适的控制量,以便迅速地把误差消除掉,这就是补偿器S (z )所要完成的任务。补偿器S (z )主要由重复控制增益
K r 、超前环节Z k
和滤波器S 1(z )3部分组成:
S (z )=K r ×Z k
×S 1(z )
(7)
滤波器S 1(z )的作用:
1)将逆变器的控制对象P (z )中低频段的增益
校正为1,使K r 的调整范围归一化,K r 可设为小于1的常数;
2)抵消对象较高的谐振峰值,使之不破坏系统
的稳定性;
3)增强前向通道的高频衰减特性,提高稳定性
和抗高频干扰能力。
S 1(z )的S 域中的函数可表示为
S 1(s )=ω2
s 2
+2
ξωs +ω2(8)式中,ω为补偿器的截止角频率,ω=1/LC;ξ为阻尼比,为防止系统振荡一般取ξ>1。
超前环节Z k
作用是用来补偿滤波器S 1(z )和
控制对象所引入的总的相位滞后。这样使得系统在经过补偿后,在中低频段近似为零相移。其中k 可称为超前步长。
3 仿真结果
利用Si m ulink 中Si m PowerSystem s 功能模块对文中2.3节讨论的重复P I 电流跟踪型系统建立的仿真模型如图5所示。Si m PowerSystem s 是为电力电子电路与系统以及电力传动而设计的。它的基础是M atlab 中的Si m ulink 即系统仿真工具箱,是对动态
系统进行建模、仿真和分析的一个软件包,它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统。利用M atlab /i m ullnk 中Si m PowerSystem s 工具箱建立系统仿真模型非常直观、方便,只需将模块连接起来即可。
5
24 第4期
张传宗等:基于重复P I 控制的光伏并网逆变器
图5 光伏并网发电系统仿真结构
F ig.5 S i m ula tion structure of photovolta ic gr id
genera tion system
图6给出了传统P I控制和采用重复2P I控制的并网电流输出波形。从仿真波形上可以看出采用重复2P I控制的光伏并网逆变器并网电流与电网电压同频同相,满足了光伏发电系统并网的要求。同时,与采用传统P I控制的光伏并网逆变器相比,采用重复2P I控制的光伏并网发电系统并网电流谐波更小,有更好的跟踪效果
。
图6 并网电流仿真曲线
F ig.6 S i m ula tion curves of gr id2connected curren t 4 结 语
详细介绍了光伏并网逆变器的结构和采用重复控制P I电流跟踪控制策略。仿真结果表明,重复P I控制控制策略能有效地改善并网电流波形,保证了并网电流与电网电压的同步关系。
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(责任编辑:杨 勇) 624 江南大学学报(自然科学版) 第8卷