基于重复控制算法的光伏并网逆变器的研究

1、基于重复控制算法的光伏并网逆变器的研究吴杰,茆美琴,苏建徽,张国荣,郑诗程(合肥工业大学能源研究所,合肥, 230009摘 要:介绍一种基于重复控制算法的光伏并网逆变器系统。该控制算法具有对死区影响以及其它周期性扰动有明显的抑 制作用,而且能消除跟踪误差,使系统输出达到无静差;同时,在控制中还将前馈控制与重复控制相结合,克服了重复 控制固有的滞后调节特性,改善了光伏并网逆变器的输出并网电流波形和稳态误差。关键词: DC-DC; 逆变器; 重复控制; 前馈控制Research on Grid- Connected PV Inverter Based on Repetitive ControlWu

2、 Jie, Mao Meiqin, Su Jianhui, Zhang Guorong, Zheng ShichengEnergy Research Institute of Hefei University of Technology, Hefei 230009 ,ChinaAbstract : This paper presents a PV grid-connected inverter system based on repetitive control. This control algorithm can obviously suppress the influence of de

3、ad-time and the other periodic disturbances, and eliminate the tracking error, and achieve output of no error; simultaneously, the combination of repetitive control and feedforward control overcomes the inherent regulating characteristic of delay and improves the waveform of current and steady-state

4、 error of PV grid-connected inverter. Keywords: DC-DC; inverter; repetitive control; feedforward1 引言随着传统的数字 PID 控制方法在大功率光伏并网系统中成功应用, 使我们对光伏并网逆变系统有了 一定的深入了解, 但 PID 控制本身存在的一些缺陷使我们无法在系统的稳定性和稳态性能上得到更好的 提高, 因为传统 PID 控制是根据误差的当前狀态和所有过去状态来进行控制, 当系统有周期性扰动出现 的,误差也是周期性产生的,也就是说这种控制方法不能消除误差,并且还存在着指令误差也无法用此 法消除。因

5、此采用了基于内模原理的重复控制算法来消除并网电流的指令误差和扰动误差。系统框图如 图 1所示, 光伏并网逆变器主要由两部分组成, 前级的 DC-DC 变换器和后级的 DC-AC 逆变器。 DC-DC 部分的控制核心芯片是 SG3525, DC-AC 部分的核心芯片是 TMS320LF2407。 图 1 系统框图2 重复控制2.1重复控制器原理内模原理告诉我们若要一个控制系统具有良好的跟踪指令和消除扰动误差的能力, 则在反馈控制 系统中必须包括一个描述外部输入信号动力学特性的模型,这个模型就是内模,例如对阶跃信号跟踪要 实现无静差,必须是在闭环内包含一个积分器(1/S的一型系统,所以在考虑跟踪

6、r(t=sin(t 正弦信号时,要想达到无静差跟踪,应该有一个内模在闭环传函中,其拉氏变换式为( (22+=s s G m (1当指令和扰动都以角频率 作正弦变化时, 含上述内模的闭环系统可以达到无静差, 但扰动是多样 的,要对所有频率的扰动都实现无静差,则必须为所有频率的扰动设内模,这样无疑使系统复杂化,而 重复控制可以比较好的解决这一问题。重复控制是基于内模原理的一种新的控制算法,它采用式(2 形式的重复信号发生器内模,图 2是它的等效框图,这是延时时间为一个基波周期的正反馈环节,其中 L 是逆变器输出基波周期,不管输入什么信号,输出 u 总是对输入 e 的逐周期累加。 P(s是被控对象,

7、 e 是误差。1( (Ls c e s G = (2 图 2 重复控制系统传递函数由于重复控制信号发生器内模中含有纯滞后环节 Ls e , 难以用模拟方法有效实现, 实际应用中是 以数字方式实现的,内模离散化形式如式(3 ,其中 N=L/T,T为采样周期, L 为基波周期。在本文中 L 为并网电流的周期 20ms , T 为载波周期 100us, 所以 N=200,把电流波形作为研究对象,每个周期电流都 有 200个样本点,可用向量表示成 (. 2(, 1(N y y y y k k k k =,k 表示第 k 个周期电流,而目标输入 即指令电流也可用向量表示成 (. 2(, 1(N r r

8、r r =, 那么误差 (. 2(, 1(N e e e e k k k k =, 控制量 (. 2(, 1(N u u u u k k k k =, 由图 3重复控制数字式传递函数可知 N Z 将会使控制量 k u 滞后 N 拍反 馈 , 即 k k k e u u +=1, 从 而 得 出 11. e e e u k k k +=, (. ( ( (11i e i e i e i u k k k +=, , 1N i ,由上我们可以看出它与普通的积分具有类似功能,只不过普通积分是对误差进行连续累加, 离散积分是对误差进行每拍累加,而重复控制是每隔 N 拍累加,因为 r 是一个固定的向量,由

9、积分控制 规律可知,系统可以实现无静差跟踪。1 (N m Z Z G =(3 图 3 数字式重复控制器传递函数 图 4 改进的重复信号发生器数字传递函数2.2改进的重复控制发生器上面只是简单的叙述了重复控制的原理,虽然理论上能实现无静差,但这种内模结构给系统带来了 N 个位于单位圆上的开环极点,会降低系统的稳定性和鲁棒性,系统将会处于临界振荡状态,所以必须 对其进行改进,可采用图 4所示的改进的重复控制内模,其中设置了滤波器 Q(Z,Q(Z作用是减弱积分 效果,消除位于单位圆上的开环极点,一般取低通滤波器或一个小于 1的常数,在这里取 0.98, 由图 4得到 Z 域传递函数为G(Z=U(Z/

10、E(Z=1/(1-0.98n z (4式 (4 离散化得 U(K=E(K+0.98U(K-N,K表示第 K 次重复信号发生器输出, 由于积分效果得减弱, 必然会导致稳态误差不为零,可以说是牺牲了稳态性能才提高了稳定性。在改进的重复信号发生器内模 的基础上,添加周期延迟环节和稳定化补偿器就可构成一个比较完整的重复控制系统,同时考虑到开机 时跟踪指令会受重复控制器的滞后影响,所以加了一个前馈通道,其作用是开机时系统可通过前馈通道 跟踪指令,而使重复控制器来抑制误差,这样会使系统性能改善,整个控制结构框图如图 5所示,其中 n z 的作用是为了实现超前控制而滞后一个基波周期, jz 是为了实现系统相

11、位补偿而采用的超前 j 拍 控制, S(Z的作用有两个,一是为了把对象中的低频增益校正成 1或略小于 1,使 Kr 的调整归一化,二 是抵消谐振峰值,提高稳定性,同时提高高频衰减特性。 图 5 改进的重复控制结构框图 2.3 重复控制器的软件流程 图 6 重复控制流程图3 系统主电路结构图 图 7 系统主电路结构图主电路由两部分组成,前级 DC/DC电路由功率 MOSFET 和高频变压器组成,主要实现 100v 直流电压 升到 400v 直流电压,且保证了比较高的效率,在 90%以上。后级逆变部分采用电压型逆变器的拓扑结 构, 开关器件采用了绝缘栅极双极型晶体管 IGBT 。 通过对电网电压相位的埔捉和电感电流的采样, 对并 网电流进行控制,从而实现并网功能。4 结束语论文介绍的重复控制算法不但能准确、有效的抑制死区及周期性扰动带来的影响,而且能消除指令 误差。提出的前馈控制能克服重复控制的滞后影响,将以上两种控制结合可以改善系统的性能,对改善 系统的稳定性和稳态误差有明显作用。参考文献1胡寿松, 自动控制原理 , 国防工业出版社, 1994,2高军,黎辉,基于