基于改进型比例谐振控制器的三相四线制光伏发电和有源滤波器系统_耿乙文
- 格式：pdf
- 大小：791.50 KB
- 文档页数：7
图2 Fig.2 电流环控制策略框图
应速度和稳定裕度。截止频率 ωc 主要影响控制器在 谐振频率处的频带宽度，比例系数 KP 和积分系数 KI 对控制器增益和相位幅值影响明显，所以调节比 例增益和积分增益来满足稳定性、稳态性能和动态 性能；调节截止频率来抑制频率波动给 PV-AF 系统 带来的扰动。 针对跟随 以 轴为例对系统电流内环进行分析， 基频的 PR 控制器，电流环闭环控制框图如图 2b 所
上海
3
（ 1. 中国矿业大学信息与电气工程学院
221008
2. 海军装备研究院
北京
100161
3. 上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室 摘要
200240）
一种基于改进型 PR 控制器的 PV-AF 系统控制策略在静止坐标系下对基波差跟踪，将光伏系统的电能注入电网的同时改善电网电能质 量。对比分析了 PR 控制器与改进的 PR 控制器特性，根据改进 PR 控制器各参数对性能指标的影 响，对改进的 PR 控制器进行参数设计。仿真和实验结果表明所提的改进 PR 控制器可以使电流环 控制器更好的跟踪指令电流，对电网频率波动具有较好的适应性，验证了所采用的控制策略的可 行性和有效性。 关键词： 四桥臂并网逆变器 中图分类号： TM 615 比例谐振控制 谐波补偿 频率波动
2
2.1
PV-AF 系统控制策略研究
系统控制策略 PV-AF 系统常用双闭环控制策略如图 1 所示。 无论电流环采用静止坐标系下控制策略还是旋
量适合的逆变器连接到公共电网上 [2] 。在城市、民 用住宅等三相四线制供电系统中，负载多具有非线 性的特点 [3]，三相四桥臂有源电力滤波器（ APF）可 以有效补偿并联型负载产生的谐波和解决三相不平 衡问题 [4,5] 。由于具有相似的拓扑结构，将有源电力
比例谐振控制器的研究 在直流控制系统中，采用 PI 控制器 G pi( s) 可以
实现跟踪直流信号 H DC( s) 零稳态误差，传函分别为
H DC ( s )
GPI (s) K P
1 s
KI s
（ 1） （ 2）
对于交流信号 H AC(s ) ，可以利用与同步旋转坐 标系下 PI 控制器等效的 PR 控制器得到相同的控制 效果 [17,18] ，其传递分别为
收稿日期 2013-02-21 改稿日期 2013-03-20
第 28 卷第 8 期
耿乙文 等
基于改进型比例谐振控制器的三相四线制光伏发电和有源滤波器系统
143
1
[1]
引言
光伏发电能有效缓解能源危机和减少环境污染 。为实现并网发电，光伏发电系统需通过配合容
负载电流谐波，减小并网电流的谐波畸变率，改善 电网电能质量。
Xuzhou Beijing
221008 100161
China China
3. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Transformation (Shanghai Jiao Tong Shanghai 200240 China）
Research on Three Phase Four Wire PV-AF System Based on Improved Proportional Resonant Controllers
Geng Yiwen 1 Wu Xiaojie1 Zhou Dejia 2 Xu Lihua 1 （ 1. China University of Mining and Technology 2. Navy Academe of Armament,Fengtai District University), Ministry of Education Abstract
转坐标系下控制策略，电压外环一般采用 PI 控制器 对光伏逆变器的直流侧电压加以控制。太阳电池阵
滤波功能和无功补偿功能引入到光伏并网逆变器中， 列的伏安特性具有强烈的非线性，其随日照强度和 避免使用 APF 时的硬件成本，同时解决了光伏并网 结温而变化，对于太阳电池阵列不同的输出电压， 发电逆变器由于昼夜、天气阴晴变化导致其利用率 低的问题，改善电网电能质量 [6-11] 。对于并网逆变器 及有源电力滤波器而言，电流跟踪控制环节是其关 键环节之一 [12] 。 文献 [6]率先将无功补偿思想引入到光伏并网系 统中，其电流环采用易于实现的滞环控制。文献 [7] 以三相三线系统为研究对象，电流环沿用滞环控制 策略，文献 [8,9] 对具有有源滤波功能的三相四线光 伏并网系统进行了详细分析，电流环同样采用滞环 控制策略。然而，采用滞环控制时开关频率随电流 变化率变化而变动，给网侧滤波电感的设计带来困 难，增大了功率模块应力和开关损耗。文献 [10]中电 流环采用比例控制器，此方法使得输出电流不能完 全无静差跟随指令电流； 文献 [11]电流环在旋转坐标 系下采用 PI 控制器，该方法需要复杂的坐标变换， 另外， 如果指令电流中包含谐波分量和不平衡分量， 在旋转坐标系下表现为波动量， PI 控制器不能实现 对指令电流无静差跟随。 近年来，有学者提出了针对正弦信号的 PR 控 其控制效果与同步坐标系下的 PI 控制器相 制器 [13] ， 比，能无稳态误差地跟踪特定频率的正弦信号。文 献 [14]将 PR 控制应用在四桥臂有源电力滤波器中， 改善了有源滤波器的谐波抑制效果；文献 [15]将 PR 控制应用在并网逆变器中，提高了逆变器的动态性 能及抗干扰能力。 本文将改进型 PR 控制器应用到具有有源滤波 功 能 的 光 伏 并 网 逆 变 器 （ Photovoltaic Power Generation and Active Filter, PV-AF ）系统中，对比 PI 控制器与 PR 控制器的跟踪性能； 对 PR 控制器和 改进的 PR 控制器特性进行对比，分析了改进 PR 控 制器各参数对控制性能指标的影响，以控制器的跟 随性能和系统稳定性为依据， 对改进型 PR 控制器进 行了参数设计。 通过改进型 PR 控制器以期达到在跟 踪正弦基波电流给定的同时，补偿所检测到的并联 2.2
见式（ 5 ） 。
GPR ( s) K p 2 K I c s
2 s 2c s 0 2
（ 5）
（ 4）
式中， ωc 为截止频率。 对比式（ 4）和式（ 5）可知，改进型 PR 控制器 同 在角频率 ω 0 处的增益由无穷大变为 20lg( KP+KI ) ， 时带宽有所增加。尽管改进的 PR 控制器在 ω0 处的 增益不再保持无穷大，但是通过合理设计改进的 PR 控制器参数，可以实现保持高增益的同时，增加跟 踪频率的带宽。不同 ωc 频率特性如图 3 所示。由图 3 可知，改进型 PR 控制器与 PR 控制器相比，跟踪 频率的带宽明显增大，并且 ω c 越大，带宽越大，ω c 对谐振频率处的增益没有影响。
2013 年 8 月 第 28 卷第 8 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.28 Aug.
No. 8 2013
基于改进型比例谐振控制器的三相四线制 光伏发电和有源滤波器系统
耿乙文
1
伍小杰
1
周德佳
徐州
2
徐立华
1
乔树通
H AC ( s ) s
2 s 0 2
1 H DC ( s j0 ) H DC ( s j0 ) 2
（ 3）
144
电 工 技 术 学 报
2013 年 8 月
GPR ( s )
1 GPI ( s j0 ) GPI ( s j0 ) 2 2K s KP 2 I 2 s 0
For three-phase four-wire PV-AF (photovoltaic power generation and active filter)
system, a control strategy based on proportional resonant (PR) controller is proposed. Improved PR controllers in parallel are adopted to track fundamental current and different frequency component of harmonic current to obtain zero steady-state error. With the power of photovoltaic system injecting, the quality of grid current is improved. The performance of PR controller and improved PR controller are compared. After analyzing the effect of every parameter of PR on control performance, the parameters are designed. The simulation and experiment results indicate that the current inner-loop controller can be better adapted to the fluctuation of grid frequency and track reference current, which verify the validity and effectiveness of the employed control strategy. Keywords ： Four-leg grid-connected inverters, proportional resonant control, harmonic compensation, frequency fluctuation
应速度和稳定裕度。截止频率 ωc 主要影响控制器在 谐振频率处的频带宽度，比例系数 KP 和积分系数 KI 对控制器增益和相位幅值影响明显，所以调节比 例增益和积分增益来满足稳定性、稳态性能和动态 性能；调节截止频率来抑制频率波动给 PV-AF 系统 带来的扰动。 针对跟随 以 轴为例对系统电流内环进行分析， 基频的 PR 控制器，电流环闭环控制框图如图 2b 所
上海
3
（ 1. 中国矿业大学信息与电气工程学院
221008
2. 海军装备研究院
北京
100161
3. 上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室 摘要
200240）
一种基于改进型 PR 控制器的 PV-AF 系统控制策略在静止坐标系下对基波差跟踪，将光伏系统的电能注入电网的同时改善电网电能质 量。对比分析了 PR 控制器与改进的 PR 控制器特性，根据改进 PR 控制器各参数对性能指标的影 响，对改进的 PR 控制器进行参数设计。仿真和实验结果表明所提的改进 PR 控制器可以使电流环 控制器更好的跟踪指令电流，对电网频率波动具有较好的适应性，验证了所采用的控制策略的可 行性和有效性。 关键词： 四桥臂并网逆变器 中图分类号： TM 615 比例谐振控制 谐波补偿 频率波动
2
2.1
PV-AF 系统控制策略研究
系统控制策略 PV-AF 系统常用双闭环控制策略如图 1 所示。 无论电流环采用静止坐标系下控制策略还是旋
量适合的逆变器连接到公共电网上 [2] 。在城市、民 用住宅等三相四线制供电系统中，负载多具有非线 性的特点 [3]，三相四桥臂有源电力滤波器（ APF）可 以有效补偿并联型负载产生的谐波和解决三相不平 衡问题 [4,5] 。由于具有相似的拓扑结构，将有源电力
比例谐振控制器的研究 在直流控制系统中，采用 PI 控制器 G pi( s) 可以
实现跟踪直流信号 H DC( s) 零稳态误差，传函分别为
H DC ( s )
GPI (s) K P
1 s
KI s
（ 1） （ 2）
对于交流信号 H AC(s ) ，可以利用与同步旋转坐 标系下 PI 控制器等效的 PR 控制器得到相同的控制 效果 [17,18] ，其传递分别为
收稿日期 2013-02-21 改稿日期 2013-03-20
第 28 卷第 8 期
耿乙文 等
基于改进型比例谐振控制器的三相四线制光伏发电和有源滤波器系统
143
1
[1]
引言
光伏发电能有效缓解能源危机和减少环境污染 。为实现并网发电，光伏发电系统需通过配合容
负载电流谐波，减小并网电流的谐波畸变率，改善 电网电能质量。
Xuzhou Beijing
221008 100161
China China
3. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Transformation (Shanghai Jiao Tong Shanghai 200240 China）
Research on Three Phase Four Wire PV-AF System Based on Improved Proportional Resonant Controllers
Geng Yiwen 1 Wu Xiaojie1 Zhou Dejia 2 Xu Lihua 1 （ 1. China University of Mining and Technology 2. Navy Academe of Armament,Fengtai District University), Ministry of Education Abstract
转坐标系下控制策略，电压外环一般采用 PI 控制器 对光伏逆变器的直流侧电压加以控制。太阳电池阵
滤波功能和无功补偿功能引入到光伏并网逆变器中， 列的伏安特性具有强烈的非线性，其随日照强度和 避免使用 APF 时的硬件成本，同时解决了光伏并网 结温而变化，对于太阳电池阵列不同的输出电压， 发电逆变器由于昼夜、天气阴晴变化导致其利用率 低的问题，改善电网电能质量 [6-11] 。对于并网逆变器 及有源电力滤波器而言，电流跟踪控制环节是其关 键环节之一 [12] 。 文献 [6]率先将无功补偿思想引入到光伏并网系 统中，其电流环采用易于实现的滞环控制。文献 [7] 以三相三线系统为研究对象，电流环沿用滞环控制 策略，文献 [8,9] 对具有有源滤波功能的三相四线光 伏并网系统进行了详细分析，电流环同样采用滞环 控制策略。然而，采用滞环控制时开关频率随电流 变化率变化而变动，给网侧滤波电感的设计带来困 难，增大了功率模块应力和开关损耗。文献 [10]中电 流环采用比例控制器，此方法使得输出电流不能完 全无静差跟随指令电流； 文献 [11]电流环在旋转坐标 系下采用 PI 控制器，该方法需要复杂的坐标变换， 另外， 如果指令电流中包含谐波分量和不平衡分量， 在旋转坐标系下表现为波动量， PI 控制器不能实现 对指令电流无静差跟随。 近年来，有学者提出了针对正弦信号的 PR 控 其控制效果与同步坐标系下的 PI 控制器相 制器 [13] ， 比，能无稳态误差地跟踪特定频率的正弦信号。文 献 [14]将 PR 控制应用在四桥臂有源电力滤波器中， 改善了有源滤波器的谐波抑制效果；文献 [15]将 PR 控制应用在并网逆变器中，提高了逆变器的动态性 能及抗干扰能力。 本文将改进型 PR 控制器应用到具有有源滤波 功 能 的 光 伏 并 网 逆 变 器 （ Photovoltaic Power Generation and Active Filter, PV-AF ）系统中，对比 PI 控制器与 PR 控制器的跟踪性能； 对 PR 控制器和 改进的 PR 控制器特性进行对比，分析了改进 PR 控 制器各参数对控制性能指标的影响，以控制器的跟 随性能和系统稳定性为依据， 对改进型 PR 控制器进 行了参数设计。 通过改进型 PR 控制器以期达到在跟 踪正弦基波电流给定的同时，补偿所检测到的并联 2.2
见式（ 5 ） 。
GPR ( s) K p 2 K I c s
2 s 2c s 0 2
（ 5）
（ 4）
式中， ωc 为截止频率。 对比式（ 4）和式（ 5）可知，改进型 PR 控制器 同 在角频率 ω 0 处的增益由无穷大变为 20lg( KP+KI ) ， 时带宽有所增加。尽管改进的 PR 控制器在 ω0 处的 增益不再保持无穷大，但是通过合理设计改进的 PR 控制器参数，可以实现保持高增益的同时，增加跟 踪频率的带宽。不同 ωc 频率特性如图 3 所示。由图 3 可知，改进型 PR 控制器与 PR 控制器相比，跟踪 频率的带宽明显增大，并且 ω c 越大，带宽越大，ω c 对谐振频率处的增益没有影响。
2013 年 8 月 第 28 卷第 8 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.28 Aug.
No. 8 2013
基于改进型比例谐振控制器的三相四线制 光伏发电和有源滤波器系统
耿乙文
1
伍小杰
1
周德佳
徐州
2
徐立华
1
乔树通
H AC ( s ) s
2 s 0 2
1 H DC ( s j0 ) H DC ( s j0 ) 2
（ 3）
144
电 工 技 术 学 报
2013 年 8 月
GPR ( s )
1 GPI ( s j0 ) GPI ( s j0 ) 2 2K s KP 2 I 2 s 0
For three-phase four-wire PV-AF (photovoltaic power generation and active filter)
system, a control strategy based on proportional resonant (PR) controller is proposed. Improved PR controllers in parallel are adopted to track fundamental current and different frequency component of harmonic current to obtain zero steady-state error. With the power of photovoltaic system injecting, the quality of grid current is improved. The performance of PR controller and improved PR controller are compared. After analyzing the effect of every parameter of PR on control performance, the parameters are designed. The simulation and experiment results indicate that the current inner-loop controller can be better adapted to the fluctuation of grid frequency and track reference current, which verify the validity and effectiveness of the employed control strategy. Keywords ： Four-leg grid-connected inverters, proportional resonant control, harmonic compensation, frequency fluctuation
