基于双闭环重复控制的并网逆变器的研究

第４４卷第１１期　２０１０年１１月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４４．Ｎｏ．１　１　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　２０１０　基于双闭环重复控制的并网逆变器的研究　吴华波　（广东嘉应学院，电子信息工程学院，广东梅州　５１４０１５）　摘要：在并网逆变器中，重复控制算法因其良好的跟踪性能和抗扰能力而得到广泛应用。提出了电流双闭环结　构的并网逆变器硬件方案。分析了电流内环的设置对系统抗扰性能的改善和对稳定性的提高，给出了双闭环　条件下重复控制算法的设计方法。理论分析和实验表明，基于双闭环重复控制的并网逆变器具有较高的输出　电能质量和较低的并网电流谐波畸变率。　关键词：并网逆变器：双闭环：重复控制　中图分类号：ＴＭ４６４　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１０）１１—０００７—０３　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｄｕａｌ　Ｃｌｏｓｅｄ　Ｌｏｏｐ　Ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ＷＵ　Ｈｕａ．ｂｏ　（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｊｉａｙｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｍｅｉｚｈｏｕ　５１４０１５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ　ａｓ　ｉｔｓ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｔｒａｃｉｎｇ　光伏阵列　ａｎｄ　ａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ。Ａ　ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｕａｌ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｌｏｏｐ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，　．．。．　ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｉｎｎｅｒ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｌｏｏｐ　ｉｓ　ｓｅｔ，ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｕｎｄｅｒ　ｄｕａｌ　ｃｌｏｓｅｄ　ｌｏｏｐ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｕａｌ　ｃｌｏｓｅｄ　ｌｏｏｐ　ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂａｓｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｈａｓ　ｈｉｇｈ　Ｔ　ｏｕｔｐｕｔ　ｅｎｅｒｇｙ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ＴＨＤ　ｏｆ　ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｄｕａｌ　ｃｌｏｓｅｄ　ｌｏｏｐ；ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　１　引　言　并网逆变器是太阳能、风能和燃料电池等可　再生能源发电系统的重要组成部分。在对并网逆　偿器，使并网逆变器能稳定运行并输出较高的电　能质量和较低的电流谐波。　２　电流双闭环结构的并网控制方案　图１示出单相并网逆变器硬件设计方案。　ｆＩ　Ｔ　变器的设计方法和控制策略的大量研究中，常见　的电流控制算法有ＰＩ控制、无差拍控制、重复控　制等，其中重复控制算法由于对周期给定信号具　有良好的跟踪能力，能有效抑制周期扰动（如电网　电压和逆变器死区效应），已成为并网逆变器的一　种有效控制算法【１１。　然而在并网逆变器中，确定重复控制算法所　需的补偿环节并不容易．尤其当被控对象参数漂　移时．有可能使原本已补偿稳定的系统失去稳定　性＿２】。为此，这里以单相并网逆变器为研究对象，　：　娄　｝Ｉ隔离驱动电路　ＨＴ　电流检测１　Ｔ丁　模拟信号调　电路　提出了电流双闭环控制结构下的重复控制方法，　该方法引入电流内环对被控对象进行改造，减小　了被控对象的等效增益和相位滞后，增加了系统　的稳定性。增强了抗电网干扰的能力，无需设置补　图１　单相并网逆变器硬件设计方案　并网逆变器采用电流控制模式，逆变桥将光　伏阵列输出的直流电能逆变成交流电压．与经过　隔离变换的电网电压‰共同作用在滤波电感　，　定稿日期：２０１０—０７—０５　上，产生正弦波电感电流ｉ　，ｉ　经变压器Ｔ隔离变　换成电流ｉ：再注入电网，ｉ　即为所需的并网电流。　与常规并网逆变器不同，该并网逆变器采用电流　７　作者简介：吴华波（１９７６一），男，广东梅州人，讲师，研究方　向为光伏发电系统。　第４４卷第１１期　２０１０年１１月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４４．Ｎｏ，１ｌ　Ｎｏｖｅｍｂｅ￣２０１０　双闭环结构，通过霍尔电流传感器ＣＴ　检测ｉ　，构　成电流内环；通过霍尔电流传感器ｃＴ：检测ｉ　，构　成电流外环：ＨＴ为霍尔电压传感器，检测电网电　注意到当设置电流内环后，　满足式（２）时：　①电流内环的极点为（ｅ　一Ｋ，　），该极点在单位　圆内，比设置内环之前的极点更加靠近原点．因　此设置电流内环后大大减小了等效被控对象的　相位滞后，增大了系统带宽，有利于满足重复控　压以实现电压前馈和锁相。　图２示出电流双闭环结构并网电流控制系　统框图。由于并网逆变器采用ＤＳＰ作为控制器，　制器稳定性的要求：②作为扰动的电网电压包含　在电流内环以内．可由内环预先克服一部分扰动　作用，剩余的扰动作用由外环克服，增强了系统　的整体抗扰性能。　因此。图２所示的控制系统为采样控制系统，采　样周期为　。电流外环控制器采用比例控制加重　复控制构成的复合控制算法。电流内环采用的是　纯比例控制。　Ｋ　为逆变桥等效增益；　为电网电压前馈系数；　为比例系数　为比例控制器比例系数；　，ａ　分别为电流内、外环反馈系数　Ｑ（　）为提高重复控制器稳定性而设置的低通滤波器，模小于１　ｎ为变压器匝比：丘为重复控制器控制量输出增益　．Ｊ、『为一个正弦波周期内的延迟单元个数　图２　电流双闭环结构的并网电流控制系统框图　为分析设置电流内环的作用，设电流内环的　闭环传递函数为Ｇ　（ｚ），则有：　ｚ，、苛１（竿　　－ｅ－￣ｒ．　．１　）　ｌ一（ｅ　—长ＴｒｌＬ　ｊＫ１　】　ｚ　一　（１）　式中：　严　：　。　为使式（１）稳定并达到改善被控对象动态特　性的目的，需满足０＜ｅ－　Ｋ　《　一Ｍ１，由此解得使　电流内环稳定的　的取值范围为：　０　＜　（２）　８　３．２　电流外环控制参数的设计　电流外环采用比例控制加重复控制构成的复　合控制器。比例控制器可以迅速克服瞬时扰动，重　复控制器可以跟踪正弦电流给定信号、克服电网　电压和逆变器死区等周期性扰动。　单独考虑比例控制器的作用，设比例作用下　电流外环的闭环传递函数为Ｇ　ｚ），则有：　Ｇ２（　）＝　Ｋ￣２　ＣＧｌ　（（ｚ　））ｎ　：　：！　ｒ３、　１一（ｅ－ＴｒｌＬ￣一Ｋｌ　】一　：。２　ｌｎ　２）ｚ一　式（３）需满足稳定０＜ｅ　一Ｋ　１一Ｋ．２Ｋ　ｎｏ￣＜１，可　得使电流外环稳定的　取值范围为：　ｏ＜　＜　：　（４）　单独考虑重复控制器的作用，由重复控制器　稳定条件　并结合图２控制框图，需满足：　Ｉ　Ｑ（ｚ）ｌ＜｝１＋Ｋ　ａ２ｎＧ１（ｚ）Ｉ＝　Ｉ　１　ｅ一　－　＇－Ｋ　）ｚ　Ｉｉ　显然若Ｑ（ｚ）具有低通滤波器特性则容易满　足式（５）。为保证重复控制器自身的稳定性与鲁　棒性，要求ＪＱ（　）ｌ＜１ｆ　４Ｉ。取Ｑ（　）为一阶低通滤波　器，其频域模型为：　Ｑ（ｓ）＝（１＋　）　（６）　式中：．『为时间常数。　对式（６）取双线性变换，可得：　Ｑ（　）＝　（７）　式中：ｋｏ＝ｋ－＝　＝丽２ｒ／Ｔ－１。　通过改变Ｋ　和　，式（７）可满足式（５）的要求。　４　电流超前预估算法　系统通过ＣＴ２检测电流ｉ：，并对ｉ：信号进行滤　基于双闭环重复控制的并网逆变器的研究　波处理，检测到的电流信号滞后于实际电流，控制　系统通过定时周期中断的方式发送ＳＰＷＭ控制信　号．计算得到的控制量实际上是下一周期对应的　脉冲宽度．因此ＤＳＰ的Ａ／Ｄ单元检测到的电流信　号比实际电流信号要滞后一定的时间。对重复控　制器而言，ｉ　信号的滞后影响控制的稳定，为此需　对ｉ　作超前预估。设ｉ　为ｉ：的第ｋ次采样值，ｉ￡。　和ｉ包为超前预估１，２拍的预估值，由泰勒公式取　２阶预估有［５］：　网电流峰值为３　Ａ时，总谐波畸变率略大，ＴＨＤＦ　３．８２％，符合ＧＢ／Ｔ１９９３９—２００５标准。由实验频谱　可见，各次谐波含量符合ＧＢ／Ｔ１９９３９—２００５标准。　蜒　＞　０　∞　臻　《　０　川　Ｊ．～Ｉ　．ｈｉ．Ｌ…　ｔ／（５　ｍｓ／格）　谐波次数　●～　∈１＝导　－２ｉ¨＋÷　，电＝音　ｌ一２ｉ　＋÷　（８）　实验调试表明，ｉ：超前预估２拍即可补偿滞　后，即取　。　５　电网电压前馈系数的选择　由图２可知，“　是控制系统的主要扰动，ｕ　的　畸变会造成并网电流畸变。引入电网电压前馈控　制，把系统近似改造成无源逆变系统，简化系统的　控制结构。改善系统的控制效果。引入前馈系数　，忽略控制延迟、零阶保持器和电容Ｃ２的影响，　／Ｌ　对并网电流造成的扰动为ｉ　，则有：　，２Ｆ（　）：　厶ｌｔＦ　（９）　式中：　ｓ）和　ｓ）分别为ｉ　和ｕ　的拉普拉斯变换。　希望由　造成的并网电流扰动　（　）＝Ｏ，则　可取ＫＦ：１／Ｋ　。　６　并网实验　为了检验所提并网控制策略，设计了一台单　相并网逆变器，设计方案见图１。以ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２　型ＤＳＰ为控制核心，主电路参数如下：额定输出　功率５　ｋＷ，直流母线电压　＝３２０　Ｖ，　的有效值　＝２２０　Ｖ，变压器初次级匝比ｒｔ＝１７０：２２０，滤波电　感￡１＝２　ｍＨ，滤波电容Ｃ２＝２．２　ＩｘＦ，电感及线路总　等效电阻ｒ＝０．０６　ｎ。逆变桥采用双极性倍频　ＳＰＷＭ工作方式，器件开关频率厂＝１０　ｋＨｚ，采样周　期Ｔ＝１００恤ｓ。　图３为电流给定峰值分别为２２　Ａ和３　Ａ时，　并网逆变电流和电网电压的实验波形。可见，采用　双闭环重复控制算法，并网逆变器无论是工作在　大功率状态还是小功率状态，均能输出波形质量　较好的并网电流，与电网电压同频同相。实验现场　电网电压的谐波畸变率ＴＨＤ　一４．１％，并网电流峰　值为２２　Ａ时，总谐波畸变率ＴＨＤ　３．４４％，当并　（ａ）　电流峰值２２Ａ，并网电流和电网电压　（ｂ）电流峰值２２Ａ，并哪电流频谱　一　难　＞　０　曲　臻　《　０　＼　．　ｔ／（５　ｍｓ／格）　谐波次数　（ｃ）电流峰值３Ａ，并刚电流和电嘲电压　（ｄ）电流峰值３Ａ，并嗍电流频谱　图３并网电流和电网电压的波形及电流频谱　７　结　论　提出一种基于电流双闭环结构的并网逆变器　及其控制方案，分析了设置电流内环的作用，给出　了电流内环比例系数、电流外环比例系数和重复　控制器的设计方法。给出了电流预估算法和电网　电压前馈算法。理论分析和实验表明，基于双闭环　重复控制的并网逆变器能输出正弦度高、畸变率　低的并网电流。具有较高的输出电能质量以及一　定的实用价值。　参考文献　【１】马兆彪，惠晶，潘建．基于重复ＰＩ控制的光伏并　网逆变器的研究【Ｊ］．电力电子技术，２００８，４２（３）：２５—　２７．　【２］孙孝峰，王立乔．三相变流器调制与控制技术［Ｍ］．北　京：国防工业出版社，２０１０．　［３】廖晓钟，刘向东．控制系统分析与设计【Ｍ】．北京：清华　大学出版社．２００８．　［４】陆帅，李敏远．基于重复控制４００　Ｈｚ逆变电源数字　控制系统研究［Ｊ］．电力电子技术，２００９，４３（１１）：５３—　５５．　【５】沈玉梁，徐伟新，赵为，等．单输入单相ＳＰＷＭ调制　的光伏并网发电系统控制规律的研究［Ｊ］．太阳能学报，　２０ｏ４．２５（６）：７９４—７９８．　９