三相光伏并网逆变器电流控制器优化设计 中文

1、三相光伏并网逆变器电流控制器优化设计窦伟徐正国彭燕昌李晶许洪华 （中国科学院电工研究所北京100080）摘要 在光伏发电系统中，并网逆变器通常用来将高质量的电能馈入电网。但 是由于死区控制、电网扰动等因素的影响，逆变器馈入电网的电流中含有大量 谐波成分。由于带宽的限制，单纯的比例积分控制器不能有效地抑制谐波。因 此本文提出了一种由比例积分控制器（PI）和重复控制器（RC）并联构成的 复合控制器以提高系统的谐波电流抑制能力。本文建立了同步旋转坐标系下的 逆变器动态模型并给出了控制器设计方法。理论分析以及一台20kW逆变器 样机的实验结果证明了所提控制策略的可行性。关键词：光伏并网逆变器PI控制重

2、复控制中图分类号：TM615； TM6441、简介作为一种新型发电方式，光伏发电系统正在迅速的成长。在这个系统中，三 相并网逆变器即图1所示，通常是用于电源转换和电网的连接1。在光伏系统 中，通常使用逆变器将电能馈入电网。然后馈入电网电能的质量主要取决于逆变 器的输出电流。然而，许多因素都会影响逆变器的输出电流：开关死区2 的影 响，直流环节电压波动的影响以及电网扰动等。为了满足高质量电流的需求，无源滤波器是消除谐波的一个好方法。无源滤 波器将会增加谐波的阻抗，因此，它可以有效地消除谐波成分。但是，有这样的 无源滤波器有很多缺点，例如其衰减是有限的，动态响应慢，规模大，成本高。与无源滤波器相比

3、，使用控制方法是一个消除谐波的更好选择3-4。通过良 好的设计，优良的衰减和快速的动态响应是可以实现的。同时，所采用的控制方 法也增加了成本。为了提高并网逆变器的稳定跟踪精度，提出了一种将PI控制器和重复控制 器相并联的复合电流控制方案。PI控制器用来确保逆变器响应能力而重复控制 器是用来消除输出电流谐波的，提高了系统的稳态性能。理论分析以及一台 20kW 逆变器样机的实验结果证明了所提控制策略的可行性。2、系统建模一个光伏并网发电系统的典型拓扑结构如图1所示。其中L是滤波器电感，R是等效串联电阻（该输电线路的总电感为L）。根据并网逆变器中脉宽调制的基本原则，在每个桥臂中间点（a, b, c）

4、的 电压可以被看作是一个可控电压源，其幅度和频率是由控制策略决定的。因此， 并网逆变器的输出电流完全取决于PWM电压的控制，电压的共同耦合点和电 感的连接点由电网指定。电压和电流的方向如图1所示，我们可以得到基于KVL定律的固定电路结 构下的输出电流的微分方程，如公式（1）。Vf是PWM正序基波电压*水是电网正序基波电压；七是输出电流；匕是谐波电压 源，其中包括PWM电压和电网电压的谐波电压。通过正序同步旋转变换，在同步旋转坐标系中公式（1）可以表示为如下的公 式，其中3为基波角频率，下标d、q则表示同步旋转坐标系下的d轴和q轴。坐标变换后，基波正序分量的基本方程如公式（2），e , V是直流

5、量， 基波负相序或其他谐波分量，仍然可以用不同角频率得到变量。例如，在变换 器的交流侧第五次与第七次谐波分量将成为第六次谐波分量。3、电流控制策略为了补偿电网电流，应该使用电流控制策略。到目前为止，在同行业中最 常用的算法仍然是pi控制。尤其是在同步旋转坐标系下的pi电流控制，是三 相并网电压源逆变器中电流控制的有效手段，因为基波电流转换成直流的量是 通过改变同步旋转坐标系和pi控制器的带宽来实现的，以防止直流无限制的 输入。因此，pi控制器可以实现对基波电流的零误差跟踪。但基于以上分析， 在同步旋转坐标系中，并网逆变器的反馈电流将包括在逆变器周期扰动中产生 的谐波分量。因此，pi控制器的带宽

6、在跟踪波动信号时是不够的。此外，如 果为了降低跟踪误差将pi控制器的增益设置太高，它可能导致系统不稳定。在介绍电流控制器之前，提出一个内部模块原则的理论背景。在内部模型 的原则中表明，在稳定的状态下，如果发生器的基准输入或干扰存在于闭环系 统中，则可实现完善的跟踪任何参考输入或者拒绝任何周期的干扰。对于每一个谐波，我们可以嵌入到相应的内部控制系统模型中。但是，这将 增加控制的复杂性。重复控制器可以解决这个问题。重复控制器可以被视为一 个简单的学习控制，因为在控制输入的计算中，其使用的信息是来自前面周期 的错误信息。对于电流的跟踪，重复控制器则提供了一个更好的选择，因为它 可以同时处理大量谐波，

7、甚至是无谐波频率下的干扰。不幸的是，在负载突然变化的情况下，重复控制器的动态响应速度低。为 了提高动态响应能力，插入一个pi控制器并联到重复控制器上形成复合控制 器。在这种控制方案中pi控制器对提高过冲和在严重干扰的情况下提高响应 时间方面起到重要作用，并且重复控制器在负责良好的稳态跟踪精度上起到了重要作用。该控制系统采用复合控制器如图3所示。在这个控制系统，输出电流反馈交 叉解耦是相适应的。对此复合控制器来说，PI控制器和重复控制器是减少错误的互补方法，并 针对于各种不同类型的错误。因此，为了最佳的错误跟踪，他们可以同时使用。 此外，PI控制器调节开关时间上的错误，而重复控制器调节一个调制周

8、期上 的错误。这两种控制器的控制在时域上是解耦的。因此，对每个控制器的独立 设计是可行的。4控制器设计在并网逆变器的一些重要参数列于标签中。在此标签中，R值来自于实验。41 PI控制器的设计从控制系统框图中，我们可以看到，被控对象是一个一阶系统。因此电流控 制闭环成为一个典型的二阶系统。为满足本系统的动态响应能力的要求，PI控 制器参数整定方法在文献7提出。因为是采用数字控制，所以PI控制器在连续 域内设计的参数应修改，以满足离散域系统性能的要求。电流单位阶跃响应的闭 环传递函数图如图4所示。从图4中，我们可以看到，基于PI补偿的电流控制回路的动态响应就很好了。4.2重复控制器设计重复控制器由

9、一个重复的信号发生器(参考或扰动信号的内部模型)和补偿器 构成，如图5所示。根据图5,重复信号发生器是一个调制周期延迟正反馈的一部分。无论是何种 输入信号，该信号发生器的输出是由输入信号的周期性积累产生的。即使输入减 小到零，信号发生器将仍然重复产生与上周期相同的控制信号。因此，如果系统 是稳定的，因此可以预料周期误差将为零。在重复信号发生器中，Q(z -1)是一 个重要因素。它决定了稳定的跟踪精度和系统的稳定性。在本论文中，我们将它 定为一个常数0.95。补偿器的功能是消除逆变器的谐振峰值，并根据被控对象的性能的特点衰减 高频增益。该补偿器的设计决定了重复控制器的性能。该补偿器由一个增益系数

10、 Kr和稳定补偿S(z-i)构成的。较小的Kr稳定裕度的增大，而较高的Kr将会带 来更快误差收敛和更小的稳态误差，但降低了系统的稳定性。所以仔细选择Kr 可以更好的协调收敛速度和重复控制系统的相对稳定性。S(z -1)是一个稳定的 补偿器。补偿器确保了整个系统的指数稳定性。参考文献11对补偿器设计进行 了详细介绍。根据标签中所显示的参数，控制对象的传递函数可以被描述为公式(3),对于控制对象,z 1有几乎低于截止频率相同的相移。相抵消的效果如图 6所示。5、实验结果为了验证所提出的控制器，开发了一个20千瓦的实验室并网逆变器样机。在 此样机中进行了两种用不同电流控制策略实验。51输出电流波形与

11、PI控制器图7显示了输出电流波形，其频率只有PI控制器的频谱分析。这一数字表明， 低次谐波成分，主要是第5和第7次谐波，而且是很高的。总谐波失真(THD) 约为5%。在同步旋转坐标系中，电流与谐波的分析如图8所示。从图中中可以观察，即 去除了直流量，在电流中有交流分量，并且谐波电流主要变成了 6次谐波，这与 该理论体系的理论分析相吻合。52输出电流波形与复合控制器复合电流控制器和每个电流频谱的电流波形显示在相同的图中，如图9所示。 与图7的结果进行比较，各相电流的谐波失真在很大程度上减少了。对第5和 第7次谐波成分进行了有效的抑制。在同步旋转坐标系中的电流如图10所示， 几乎变成了直流量。从以上结果，我们可以看到，采用复合控制策略能够有效的改善系统的稳态性 能。53动态的PI控制器和复合控制器的响应波形为了比较各控制策略的动态响应性能，我们还给出了在阶跃信号下控制系统 的动态波形，如图11所示。从这个图中我们可以看出，复合控制器的动态响应 特性几乎与PI控制器相同。这意味着，复合控制器可以改善系统的稳态性能， 但没有恶