重复PI控制的五电平光伏并网逆变器

杨海柱，刘 洁，袁松振

(河南理工大学电气工程与自动化学院，河南 焦作454003)

1 引言

太阳能光伏发电在未来的能源体系之中将占有一席之地已是不争的事实，而光伏并网发电系统是一套可以把太阳能转化成正弦交流电并输送到电网上的系统。与光伏离网系统不同，并网系统必须满足电网对分布电源的要求:如谐波和孤岛效应等。

逆变器是光伏发电的必备设备之一。逆变器大量使用了电力电子器件，在运行过程中不可避免地会产生谐波，成为电网的谐波污染源。因此，有效抑制逆变器产生的谐波并网成为重中之重。传统的三电平逆变器存在谐波含量高、滤波器尺寸大等缺点，而多电平逆变器首先在谐波含量上比传统的三电平桥式逆变器大大减少，其次还能够优化输出波形、减小滤波尺寸、降低电磁干扰和谐波畸变率等［1］。

本文介绍的五电平逆变器在具有上述优点的同时，与其他多电平逆变器相比较还具有拓扑结构简单，所用的开关器件大大减少，从而降低了逆变器的尺寸和成本，减小了开关器件引起的损耗，SPWM调制也易于实现等优点［2］。另外，使用重复和PI调节相结合的控制策略，在提高对逆变器控制精度的同时，降低了入网谐波畸变率。

2 系统组成

单相并网光伏发电系统中主电路采用电压型五电平逆变电路，如图1所示。由图1可知，光伏阵列输出的能量先经五电平逆变器和滤波后，再并入电网。其控制过程是:将与电网电压同频同相的参考电压给定值Vref与实际的电网电压瞬时采样值进行比较，偏差值经重复控制和PI调节处理后，再与实际的并网电流瞬时采样值进行比较，生成正弦波电流参考信号。利用该参考信号与三角调制波比较，就可生成SPWM控制信号，经驱动电路隔离、放大后，再驱动功率开关器件VT1～VT5;最后经滤波器，馈入与电网电压同频、同相的正弦电流il。

图1中虚线框内的电路为该系统的逆变部分，它是1个双向开关型五开关五电平逆变器(VT1、VT3为IGBT，VT2、VT4、VT5为MOSFET)。它是由传统的单相H桥逆变电路和一个辅助电路组成的。辅助电路的F端和两个等值电容的中点相连，而G端和H桥的左半桥的中点D端相连，辅助电路的B、C端之间跨接一个功率开关管VT5。

辅助电路的加入，使得传统的三电平全桥逆变电路的输出变为五电平(假设直流母线电压为2E，则输出为±2E、±E和0)。逆变电路输出电压的

图1 系统的主电路结构Fig．1 Main circuit structure of system

五个电平对应的开关状态见表1。

表1 五电平逆变器电路输出电平与开关状态之间的关系Tab．1 Relationship between five-level inverter circuit output level and switching state

双向开关型五电平逆变器的优势之一是它的电压输出波形的谐波畸变率低于传统的三电平全桥逆变器，前者的THD大约仅为后者的1/2。其优势之二在于开关器件的节省［3，4］。通过表2将它与其他常见的五电平逆变器所使用的元件数进行比较。通过表2可以看出，本文的五电平逆变器所使用的开关器件最少，这样就能大大简化逆变器的拓扑结构，从而降低了系统损耗，同时也能节约设备成本，简化逆变器的控制等等，很适合光伏小户型发电应用领域。

多电平逆变器的PWM控制法主要有载波调制法(SPWM)和空间电压矢量调制法(SVPWM)。不同的PWM控制法适合于不同的主电路结构。空间电压矢量控制法主要适用于三电平逆变器。对于五电平以上的多电平逆变电路，更适合采用载波调制PWM控制法，可使调制电路简化，应用范围更加广泛。针对双向开关型五电平逆变器的特点，本文选择PO位置规则调制法，具体PWM调制原理如图2所示。

表2 五电平逆变器单相所需功率器件对比表Tab．2 Comparison of power device required for five-level inverter for single-phase

图2 开关信号调制波形Fig．2 Switch signalmodulation waveforms

该调制法是以一个频率f0=50Hz的正弦波Vref交替与四个具有相同频率的、以X轴为对称轴的三角波进行比较:

0＜Vref＜VC1或VC3＜Vref＜0，逆变器输出为0;

VC1＜Vref＜VC2，逆变器输出为E;VC2＜Vref，逆变器输出为2E;

VC4＜Vref＜VC3，逆变器输出为－E;Vref＜VC4，逆变器输出为－2E。

3 逆变器控制方式

整个系统的控制采用重复和PI调节相结合的控制策略，重复控制器构成的外环可以抑制网侧和负载侧对并网输出电流的周期性扰动，降低并网电流的总谐波畸变系数，提高输出波形的质量;PI控制则利用偏差调节原理，使逆变器输出并网电流实时跟踪参考正弦给定信号，提高系统的动态性能［5，6］。

重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理。在稳定的闭环系统内设置一个可以产生与参考输入同周期的内部模型，从而使系统实现对外部周期性参考信号的渐近跟踪。重复控制系统如图3所示。它具备优秀的鲁棒性，对于消除非线性负载及其他周期性干扰引起的波形畸变具有明显效果［7］。

图3 重复控制器结构框图Fig．3 Structure diagram of repetitive controller

图3中e为误差，y为逆变器的输出电压，基波周期是负载扰动d的周期的整数倍，P(z)为受控对象的传递函数，滤波器Q(z)用于改进内模，比例系数Kr是用来最终确定校正量的幅值调节系统的鲁棒性;zk为系统相位补偿环节用于补偿整个系统的相位滞后，它使控制器按上一周期的误差信息在下一周期提前k拍发出校正量;S(z)为重复控制环路的滤波器，作用是提供幅值补偿和滤除控制信号中的高频成分;z－N为周期延迟环节，使控制延迟一个周期起作用。N为每周期采样次数。在本次仿真中，开关频率取20kHz，输出并网电流的频率为50Hz，故N=200。当误差e每周期出现时，重复控制器的输出逐周期累加，当e=0时，重复控制器的输出并不消失，只是停止变化，维持上次的波形，并且逐周期地输出该波形。

4 仿真和实验设计

由图3可知，系统内模部分的脉冲传递函数为:

考虑到系统的稳定性和收敛性，一般Q(z)可以是一个低通滤波器，也可以简单地取为一个略小于1的常数，以减弱积累的效果。但取低通滤波器实现起来比较复杂，根据经验设计一般取Q(z)=0.95。

设主电路中的各元件为理想元器件，忽略开关管在开关过程中的损耗，忽略开关纹波，则可将开关电路视为电压放大器，逆变器的动态特性主要由LC滤波特性决定，则由图1可得逆变器的传递函数为:

取滤波电感L2为1.25mH，滤波电容为21μF，输出回路等效电阻R为0.02Ω，得到:

本系统设计对象如式(3)，取开关频率20kHz可得其离散模型为:

逆变器的谐振峰值过大，需要设计补偿器S(z)来消除它，这里S(z)采用二阶滤波器。由于谐振峰值过高，按将谐振峰值降为0的标准，综合Matlab软件频域分析，选取S(z)为:

系数Kr为重复控制器增益，由于经过重复控制二阶滤波器补偿后谐振峰值应小于0，此时Kr的取值需要小于1，选取Kr=0．5。

根据本文设计，利用Matlab/Simulink对系统进行仿真。输出为400V的直流电源，开关频率为20kHz，滤波电感为1.25mH，滤波电容为21μF，输出频率为50Hz，额定输出电压为220V，并入电压220V、频率50Hz的工频电网。

其中图4为逆变器输出电压波形，为五电平，其THD=35.49%;图5为三电平逆变器在同样载波频率下的输出波形及THD分析，可见，其THD=78.26%，远大于五电平逆变器的输出电压波形的畸变率。

图4 逆变器输出电压波形及THDFig．4 Inverter output voltage waveform and THD

图5 三电平逆变器输出电压波形及其THDFig．5 Three-level inverter output voltage waveform and THD

5 实验结果

为了验证前述拓扑结构和控制思想，根据图1所示电路设计了一台2kW的具有MPPT功能的光伏并网实验样机，光伏阵列采用的是实验室现有的9块Sharp NF-R5E3E 175W太阳能电池板，单块最大输出功率为175W。实验天气条件:晴，微风，32℃。控制电路以德州仪器公司的TMS320F2812DSP芯片为核心，采用如图2所示的PO位置规则调制法的调制策略，采用如图3所示的重复控制算法和PI调节相结合的控制算法，实验参数与仿真参数相同，实验分析器为Fluke Power Quality Analyzer 43B。

图6为采用PI控制时并网电流及电压波形，可以看出波形不平滑，使用Harmonics对其电流谐波进行分析，其THD为5.2%。

图6 PI调节时的并网电压和电流波形Fig．6 Grid current and voltage waveforms at PIadjustment

图7为重复PI控制下并网电流及电压波形图。从图中可以看出，系统输出电流为波形平滑、有效值为5.76A、频率为50Hz的正弦波。图8为输出功率及功率因数分析图。系统输出功率为1.39kW，功率因数更是达到了0.96，电能质量令人满意。

图7 重复PI控制下并网电流及电压波形Fig．7 Grid current and voltage waveforms under repetitive and PI control

图8 输出功率及功率因数分析Fig．8 Output power and power factor analysis

综上，使用了重复PI控制策略之后，五电平逆变器输出的并网电流波形更平滑，跟踪电网电压效果更好，而其输出电流谐波含量也得到有效控制，称得上是绿色电源。

6 结论

本文介绍了双向开关型五电平逆变器和重复控制策略，并把这种控制策略和PI调节相结合，成功地应用在光伏并网系统的五电平逆变器领域。实验表明，该拓扑结构和重复PI相结合取得了良好的效果，输出并网电流的谐波畸变率大大降低，并能够精确跟踪电网相位，使得系统工作在高功率因数状态下。由于拓扑结构简单，易于控制，成本降低，以及拓扑结构的耐压能力较强，适用于低压输入、高压大功率输出的太阳能光伏并网发电，具有实际的应用价值。该方法同样可以扩展应用到三相五电平光伏并网逆变器。

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