微電網中主電源逆變器控制算法

劉國聯(lián)

（湖南鐵路科技職業(yè)技術學院 湖南省株洲市 412000）

近年來，我國微電網發(fā)展迅速，在多個地區(qū)鋪設，成為人們日常生活和工作不可缺少的一部分[1]。為了保證微電網得以長期穩(wěn)定運行，構建儲能系統(tǒng)是當前重點開展工作。主電源是儲能系統(tǒng)的核心，電源逆變器在很大程度上決定了供電質量[2-3]。以往提出的主電源逆變器控制算法不滿足獨立控制要求，電壓控制偏差較大。為了彌補傳統(tǒng)控制算法存在的不足，本文引入電流內環(huán)雙閉環(huán)、電壓外環(huán)控制方法，提出新的算法研究。

1 微電網中主電源逆變器拓撲結構

離網型三相逆變器在微電網供電中應用較多，本文選擇該設備作為研究對象，依據拓撲結構及工作原理，提出控制算法。逆變器電感、電阻等零件采用星形連接方式組建而成。其中，L 代表逆變器的交流側電感，L0代表逆變器的負載側電感，兩者對應的寄生電阻依次為R、R0。假設此類型逆變器在作業(yè)過程中三相負載皆處于平衡狀態(tài)，將輸出電流數(shù)值作為逆變器的擾動輸入參數(shù)數(shù)值，能夠生成關于交流側電壓的傳遞函數(shù)，利用此函數(shù)可以得出逆變器作業(yè)期間的諧振狀態(tài)信息。

2 主電源逆變器控制算法

2.1 雙閉環(huán)控制結構框架設計

本文針對離網型逆變器控制需求，將電流內環(huán)雙閉環(huán)、電壓外環(huán)控制方法植入逆變器控制體系中，形成雙閉環(huán)控制結構，其框架設計方案如圖1所示。

圖1 中，逆變器雙閉環(huán)控制結構由外環(huán)控制器、內環(huán)控制器、控制對象3 部分組成，本系統(tǒng)的雙閉環(huán)體現(xiàn)在外環(huán)控制結構和內環(huán)控制結構兩個方面。

2.2 電感電流反饋內環(huán)控制

本文提出的雙閉環(huán)控制結構中，利用電壓外環(huán)控制逆變器的輸出電壓，該控制體系不支持電流直接控制。為了實現(xiàn)電流直接控制，本控制體系增加了電感電流反饋內環(huán)控制結構，成為了雙閉環(huán)控制結構。離網型逆變器作業(yè)期間濾波器諧振現(xiàn)象較為頻繁，通過布設內環(huán)控制體系，可以很好的抑制諧振。關于內環(huán)控制的傳遞函數(shù)為：

公式（1）中，s 代表拉普拉斯運算符。按照公式（1）中的內環(huán)控制關系，計算諧振頻率和阻尼系數(shù)，分別為。

圖1：雙閉環(huán)控制結構框架設計

在原有逆變器控制體系結構基礎上，添加內環(huán)控制模塊以后，電感寄生電阻中加入了新的電阻P，使得逆變器系統(tǒng)阻尼系數(shù)得以增加，相比于改變前，運行穩(wěn)定性更強。

2.3 復合控制電壓外環(huán)函數(shù)

本文提出的電壓外環(huán)控制模塊是一種復合結構，支持重復控制，在閉環(huán)重復控制體系中，能夠根據逆變器所處作業(yè)環(huán)境情況，做出實時調控方案，以此消除特殊情況下電壓偏差，使得逆變器控制精準度更高。

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重復控制技術建立在內?？刂苹A上，通過擾動處理，重復多次對信號進行修正，使得輸出信號得以更加準確的還原。在本文研究的主電源逆變器控制算法中，重復控制技術用于消除控制體系中生成的非線性負載擾動信號，使得輸出電壓波形與實際波形更加貼合。

本文提出的重復控制器分為前饋和反饋兩部分，借助低通濾波器減弱高頻積分，通過合理設置比例闡述，以此有效限定系統(tǒng)積分，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，使其更加有效地控制逆變器，實現(xiàn)主電源靈活控制。以下為重復控制技術下的電壓外環(huán)函數(shù)：

公式（2）中，τ 代表低通濾波器作業(yè)時間；K 代表控制結構的比例常數(shù)；T 代表主電網基波周期；Kf代表控制結構反饋和前饋系統(tǒng)。

為了實現(xiàn)零誤差信號跟蹤，提高諧振點增益，本文在公式（2）函數(shù)基礎上，采取“無靜差”處理方法，以提高信號跟蹤精準度。目前，“無靜差”處理方法較為成熟，此處不做過多介紹，得到重復控制傳遞函數(shù)：

公式（3）中，Kp代表控制結構比例常數(shù)；ω 代表基波角頻率；Ki代表積分常數(shù)；ωc代表截止頻率。

與未改變前，PR 控制器對系統(tǒng)增加帶寬幫助較大。當微電網作業(yè)頻率發(fā)生小幅度變化時，本文提出的逆變器控制系統(tǒng)不會發(fā)生較大變化。

3 主電源逆變器控制函數(shù)詳細設計

3.1 內環(huán)控制與復合控制函數(shù)

依據前文提出的內環(huán)控制函數(shù)和復合控制函數(shù)，設計開環(huán)傳遞函數(shù)：

對應的閉環(huán)函數(shù)為：

通過求取特征方程，按照勞斯判據，得到各個參數(shù)之間的關系。按照此關系確定主電源逆變器參數(shù)。本文以P、Ki、ωc、Kp依次為2.49、10、15、0.039 這組數(shù)據為例，分析閉環(huán)傳遞函數(shù)零極點分布情況。根據函數(shù)點分布情況可知，所有點均分布在圓內部。因此，本文提出控制函數(shù)運行得到的數(shù)據較為穩(wěn)定，符合逆變器控制需求。

3.2 重復控制傳遞函數(shù)及控制條件

另外，本文提出的改進算法還增加了重復控制模塊，包括反饋環(huán)節(jié)和前饋環(huán)節(jié)。關于控制函數(shù)功能的實現(xiàn)，以Kf、τ、K3 個參數(shù)為主要設計參數(shù)，根據控制需求擬定設置方案。

（1）τ 參數(shù)的設置。該參數(shù)值的設定與低通濾波器作業(yè)效果密切相關，通過限定此數(shù)值，削弱高頻積分?？紤]到低通濾波器截止頻率參數(shù)值不得高于電路高頻諧振點數(shù)值，本文研究的三相逆變器中低通濾波器中此參數(shù)的最小值為500Hz，依據各項參數(shù)之間的關系，取時間數(shù)值τ 數(shù)值為3.18×10-4。

（2）Kf參數(shù)的設置。該參數(shù)的設置與系統(tǒng)諧振波動性能密切相關，依據反饋和前饋兩個環(huán)節(jié)控制器連接方式，分析諧振頻率及峰值變化情況。當系統(tǒng)加入內環(huán)控制模塊后，產生的諧振波形將隨之發(fā)生變化。當Kf數(shù)值減小時，系統(tǒng)頻率波動適應性逐漸增強。所以，根據系統(tǒng)抗諧振波動需求，即諧振帶寬和增益參數(shù)數(shù)值控制范圍需求，合理設置Kf數(shù)值。

（3）K 參數(shù)的設置。該項參數(shù)的設置與控制器累加處理功能密切相關，當系統(tǒng)穩(wěn)定性提高時，系統(tǒng)靜差就會隨之增加，如何控制二者之間的關系成為了算法研究的關鍵。通常情況下，K 參數(shù)取值不得高于1，在滿足系統(tǒng)運行穩(wěn)定條件下，調整K 數(shù)值，要求該數(shù)值為基波頻率的整數(shù)倍。對于本文研究的逆變器重復控制體系，此參數(shù)的設置等效于系統(tǒng)諧振，為了保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，綜合考慮內環(huán)控制要求和外環(huán)控制要求，設計開環(huán)控制函數(shù)：

依據小增益定理，分析公式（6）不等關系，得出一個關于K參數(shù)值的不等式：

綜合考慮公式（6）和公式（7）關系，得出系統(tǒng)得以穩(wěn)定運行的充分條件：

4 測試分析

4.1 測試內容

本文選取PR 控制器應用下的閉環(huán)控制算法作為對照組，本文提出的改進控制算法為實驗組，通過對比兩種算法在模擬應用中的電壓偏差、電壓諧波抑制情況得出相應結論。

圖2：電流內環(huán)控制應用前后電壓波形對比結果

圖3：重復控制下的外環(huán)控制電壓諧波失真對比結果

4.2 測試結果分析

按照測試內容要求，本研究對PR 控制器閉環(huán)控制算法和本文提出改進算法應用下的逆變器輸出電壓偏差進行測試。

測量時間為0.3s ～0.45s 范圍時，對照組和實驗組的電壓偏差較大，其他時間產生的電壓偏差較小，實驗組應用的控制算法優(yōu)勢顯著。因此，本文提出的改進控制算法得到的輸出電壓偏差更小，達到了改善傳統(tǒng)控制算法的目的。

另外，本文分別對改進控制算法的兩個閉環(huán)控制體系作用進行測試，結果如圖2 和圖3所示。

圖2 中，左側圖為未使用電流內環(huán)控制的電壓波形，右側圖為使用電流內環(huán)控制的電壓波形。對比左側圖和右側圖可知，改進算法中的電流內環(huán)控制體系的應用，能夠有效控控制電壓，使其按照微電網供電需求，對逆變器進行有效操控。

圖3 中，左側圖為未使用外環(huán)控制的電壓諧波測試結果，右側圖為使用外環(huán)控制的電壓諧波測試結果。對比左側圖和右側圖可知，改進算法中的外環(huán)重復控制能夠起到抑制諧波失真的作用，較未使用時降低了2.29%干擾率。

5 總結

本文圍繞微電網中主電源逆變器控制問題展開研究，通過分析傳統(tǒng)控制算法應用中存在的問題，引入雙閉環(huán)控制思路，提出改進算法。此算法主要由電感電流反饋內環(huán)控制函數(shù)、復合控制電壓外環(huán)函數(shù)兩部分組成，分別起到降低電壓偏差和抑制諧波作用。測試結果表明，本文提出的改進算法不僅可以有效降低電壓偏差幅度，而且還能夠抑制電壓諧波，避免電壓諧波失真，影響逆變器控制效果。