基于改進(jìn)型電流控制策略的單相并網(wǎng)逆變裝置研究

曾曉生，楊 蘋

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實驗室，廣東廣州510640)

1 引言

在風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變裝置是最為核心的部分。而控制算法的改進(jìn)是優(yōu)化并網(wǎng)逆變裝置的關(guān)鍵。高性能的逆變器不但動態(tài)響應(yīng)快，而且穩(wěn)態(tài)精度高，抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定。

對于單相并網(wǎng)逆變裝置，目前廣泛應(yīng)用電流控制的控制方式［1］，使逆變器相當(dāng)于一個電流源。閉環(huán)控制電流的方法有電流瞬時值PI控制、電流滯環(huán)控制［2］、單周控制［3］和無差拍控制［4］等。其中電流瞬時值PI控制已經(jīng)是工程應(yīng)用中比較成熟有效的方法，具有簡單、易實現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，能夠使并網(wǎng)逆變器的輸出電流快速地跟蹤參考電流的變化，有良好的動態(tài)性能。隨著研究的不斷深入，從該方法已經(jīng)發(fā)展出直接電流控制、間接電流控制和混合控制等不同的策略［5］。然而，單獨(dú)的電流瞬時控制環(huán)不能滿足系統(tǒng)輸出精度的要求。因此本文在電流瞬時值PI控制的基礎(chǔ)上加入電流平均值外環(huán)，使逆變裝置不但有快速的動態(tài)性能，而且有很高的電流幅值精度。同時在電流瞬時值內(nèi)環(huán)加入電網(wǎng)電壓前饋，使系統(tǒng)不受電網(wǎng)電壓的影響。

2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電流瞬時值內(nèi)環(huán)數(shù)學(xué)模型

為了設(shè)計電流平均值外環(huán)，需要首先確定系統(tǒng)拓?fù)浜徒㈦娏魉矔r值內(nèi)環(huán)的控制模型。

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文選用的逆變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 System topology

圖1中，Ud是直流母線電壓，電容C起緩沖無功能量的作用，逆變電路為電壓型單相全橋電路，選用IGBT作為開關(guān)管，每個開關(guān)管都并聯(lián)了一個反饋二極管，為交流側(cè)向直流側(cè)反饋無功能量提供通道。采用單電感的濾波電路，R為濾波電感及交流進(jìn)線等效阻抗。在此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，建立并網(wǎng)電流瞬時值控制模型。

2.2 電流瞬時值內(nèi)環(huán)數(shù)學(xué)模型

由圖1可以得到以下等式:

式中，L為濾波器電感;R為等效串聯(lián)電阻;iC為并網(wǎng)電流;UAB為逆變器的輸出電壓;Ug為電網(wǎng)電壓。把式(1)轉(zhuǎn)化為復(fù)數(shù)域的形式并加以整理可得到濾波器的傳遞函數(shù)如下:

PI控制器的傳遞函數(shù)為［6］:

本文采用單極性的PWM控制，所以逆變環(huán)節(jié)可以等效為線性比例環(huán)節(jié)［1］，其傳遞函數(shù)為:

式中，KPWM數(shù)值上等于直線母線電壓。

因此電流瞬時值內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù):

3 電流平均值外環(huán)設(shè)計

基于以上對電流瞬時值內(nèi)環(huán)的分析，本節(jié)闡述平均值外環(huán)的設(shè)計。加入平均值外環(huán)后系統(tǒng)的控制模型如圖2所示。

圖2 加入平均值外環(huán)后系統(tǒng)的控制模型Fig.2 Control model with mean value loop

設(shè)計外環(huán)時，把電流瞬時值內(nèi)環(huán)閉環(huán)當(dāng)作被控對象。外環(huán)的輸出是實際并網(wǎng)電流經(jīng)過全波整流后在一個基波周期內(nèi)算得的平均值，輸入是相應(yīng)的參考平均值，而外環(huán)PI控制器的輸出是內(nèi)環(huán)正弦參考電流的幅值。因此，圖2中電流瞬時值內(nèi)環(huán)，即虛線框內(nèi)的部分的輸入和輸出都是直流量。所以，在進(jìn)行外環(huán)設(shè)計時可以把圖2中虛線部分的傳遞函數(shù)等效成一個比例系數(shù)K1，它等于內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)幅頻特性上50Hz頻率對應(yīng)的增益:

設(shè)計外環(huán)，主要是求出外環(huán)的 PI參數(shù) K2p和K2i。設(shè)外環(huán)補(bǔ)償后的穿越頻率為fc，由于在穿越頻率處回路的增益為1，所以有以下等式:

當(dāng)穿越頻率fc比較小時，可以使系統(tǒng)比較穩(wěn)定，但跟蹤速度慢;當(dāng)fc比較大，跟蹤速度快，但系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度下降。所以應(yīng)該采用折衷的方法。

另外，在PI控制器傳遞函數(shù)的零點(diǎn)處有

式中，fz是 PI控制器零點(diǎn)處的頻率，在本文中為100Hz。

聯(lián)立式(7)和式(8)，即可算出 K2p和 K2i。于是外環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

其波特圖如圖3所示。

圖3 外環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖Fig.3 Bode diagram of outer open loop

外環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

4 電網(wǎng)電壓前饋控制

采用電流平均值和瞬時值雙環(huán)控制，能使系統(tǒng)獲得良好的動態(tài)性能和穩(wěn)定精度，但無法消除電網(wǎng)電壓的影響，所以必須在瞬時值內(nèi)環(huán)加入電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)。加電網(wǎng)電壓前饋后的內(nèi)環(huán)控制框圖如圖4所示。

在圖4中，如果不加電網(wǎng)電壓前饋，可得到

由式(11)可以看出，Ug(s)GF(s)是并網(wǎng)電流的干擾量。從控制理論看，電網(wǎng)電壓可以看作系統(tǒng)的干擾源。

圖4 加電網(wǎng)電壓前饋后的內(nèi)環(huán)控制框圖Fig.4 Control block diagram with feed forward loop

如果加入電網(wǎng)電壓前饋，由圖4得到

式中，若令 Gg(s)= 1/GINV(s)，可以使得Ug(s)［GINV(s)GF(s)Gg(s)－GF(s)］=0，即抵消了電網(wǎng)電壓的影響。

5 總體控制方案

基于上文的分析，本節(jié)闡述最終的系統(tǒng)總體控制方案。系統(tǒng)在每個采樣周期對并網(wǎng)電流瞬時值進(jìn)行檢測，并在一個基波周期內(nèi)進(jìn)行絕對值累加，然后求取平均值，與電流的參考平均值進(jìn)行比較。得到的誤差經(jīng)外環(huán)PI調(diào)節(jié)后得到內(nèi)環(huán)參考電流的幅值，再和單位正弦波相乘得到正弦參考電流。同時，系統(tǒng)將對電網(wǎng)電壓過零上升沿進(jìn)行捕獲并以此對上述正弦電流進(jìn)行鎖頻鎖相，得到與電網(wǎng)電壓同頻同相的參考電流。該參考電流在每個開關(guān)周期的值和采樣到的電流瞬時值的誤差經(jīng)過內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)后再與電網(wǎng)電壓前饋量相加，得到占空比，最后產(chǎn)生PWM信號以控制逆變電路功率開關(guān)的通斷。

6 仿真與實驗結(jié)果

為了證明上述控制方案的可行性，本文在Matlab環(huán)境下進(jìn)行仿真驗證。仿真結(jié)果如圖5所示。由圖可知，并網(wǎng)電流是和電網(wǎng)電壓同頻同相的高質(zhì)量正弦波，且能很快消除幅值誤差。

為了驗證電流平均值外環(huán)在實際系統(tǒng)中能提高輸出電流的幅值，本文進(jìn)行了樣機(jī)對比實驗。實驗參數(shù):母線電壓 Ud=380V，電網(wǎng)電壓有效值 Ug=220V，給定的并網(wǎng)電流有效值I*rms=10A，采樣頻率和開關(guān)頻率f=15kHz。圖6和圖7為實驗波形圖。

圖6為采用電流瞬時值單環(huán)PI控制得到的實驗波形。諧波總畸變率THD=4.85%，功率因數(shù)λ=0.99，輸出電流有效值Irms=10.8A。可見這種情況下雖然逆變器的輸出電流波形很好，但穩(wěn)態(tài)誤差是8%。

圖5 仿真結(jié)果波形圖Fig.5 Waveforms of simulation experiment

圖6 電流瞬時值單環(huán)控制實驗波形Fig.6 Waveforms of single loop control

圖7 電流平均值和瞬時值雙環(huán)控制實驗波形Fig.7 Waveforms of double loop control

圖7為采用電流平均值和瞬時值雙環(huán)PI控制得到的實驗波形。THD=4.10%，λ=0.99，Irms=10.1A?？梢娝岬目刂品椒ㄊ瓜到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差降低為1%，而且電流波形為高質(zhì)量的正弦波，與電網(wǎng)電壓同頻同相，不受電網(wǎng)電壓的影響。

7 結(jié)論

本文提出了一種并網(wǎng)電流平均值和瞬時值雙環(huán)PI控制算法，瞬時值內(nèi)環(huán)使并網(wǎng)逆變器輸出低諧波畸變率、與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦電流，平均值外環(huán)減小并網(wǎng)電流幅值的誤差，提高系統(tǒng)的輸出精度。仿真結(jié)果和樣機(jī)對比實驗證明了所提方法的可行性和有效性。

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