一种基于SVPWM并网逆变器电流控制的研究

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(天津大学 电气与自动化工程学院，天津 300072)

一种基于SVPWM并网逆变器电流控制的研究

李冬辉，桑元

(天津大学 电气与自动化工程学院，天津 300072)

为提高光伏并网发电系统的输出电能质量，在重复控制策略的基础上，提出一种基于SVPWM并网逆变器电流控制的重复PI复合控制方法。该方法通过重复控制策略来抑制由死区等因素引起的周期性扰动，PI控制策略用来提高系统的动态性能，两种控制策略互为补充以提高系统的动态和稳态性能，同时，在并网逆变器直流侧加入电压闭环以稳定直流母线电压。通过Matlab/Simulink仿真分析，三相并网逆变器输出电流的总谐波畸变率为1.32%。实验结果验证了该复合控制方法的有效性。

光伏并网；逆变器；电流控制；重复控制；PI控制

0 引言

能源短缺和环境污染已经严重威胁了人类的生存和发展，因此开发和利用新能源具有重要的战略意义。太阳能以其独具的可再生、无污染优势受到人们的青睐[1]。光伏并网发电是利用太阳能的有效方式之一，而并网逆变器作为光伏发电系统的核心部分，其控制系统的好坏对于整个并网系统的性能具有重大的影响[2]。光伏并网发电系统要求并网逆变器能够输出正弦波电流, 实时跟踪电网电压频率和相位，而且电流的总畸变失真要低，以减小对电网谐波的影响[3]。

目前用于逆变器电流控制的方法主要有无差拍控制、滞环控制、重复控制[4]。重复控制由于实施容易、成本低、效果好等优点，被广泛应用于逆变电源的波形控制中，但重复控制主要缺点是无法实现短于一个周波的动态响应[5]。本文在分析重复控制的基础上，提出了一种在同步旋转坐标系下基于PI控制和重复控制并联结构的电流控制方法，重复控制通过对于周期性扰动信号无静差跟踪来提高系统稳态精度，PI控制则致力于改善逆变器动态特性。两种控制策略各司其职，并且相互补充各自的缺陷，大大简化了控制器的设计，全面提升系统的性能。根据理论分析和Simulink模块仿真结果，证明了该电流控制策略的可行性。

1 三相光伏并网逆变器结构和原理

光伏并网逆变系统主电路由DC-DC和DC-AC两级结构组成，如图1所示，前级DC-DC变换器为直流升压Boost变换电路，把光伏电池阵列输出电压提升到能满足并网要求的直流母线电压；后级为DC-AC环节将直流电逆变成与电网电压频率和相位相同的交流电，提高功率因数。图中各物理量定义如下：Ua、Ub、Uc分别是逆变器的输出电压，Ea、Eb、Ec分别是三相光伏并网系统的电网电压，Ia、Ib、Ic分别是三相并网系统的输出电感电流，L是滤波电感，L1是升压电感，R代表电路等效电阻[6]。

图1 三相并网逆变器结构图

1.1 光伏并网逆变器数学模型

按照图1所示逆变器结构图，根据基尔霍夫电压定律可以列出其在三相静止坐标系下的电压方程式如式(1)所示

(1)

将式(1)进行坐标变换得到两级式三相逆变器在两相旋转坐标系下的数学模型如式(2)所示

(2)

式中Ud、Uq——逆变器输出电压矢量的d、q分量;

Ed、Eq——三相电网电压矢量的d、q分量;

Id、Iq——逆变器输出电流矢量d、q分量;

ω——电网电压频率。

1.2 PI控制

由式(2)可以看出d、q轴电流除受控制量Ud、Uq的影响外，还受耦合电压ωL·Id和ωL·Iq扰动，可以通过状态解耦的方法解除电流控制回路耦合项的影响[7]。如图2所示为加入解耦环节并采用PI控制调节电流的系统控制框图。

图2 系统解耦控制框图

经过解耦后d轴和q轴分别成了两个相互独立的控制系统，其d轴的控制框图如图3所示。

图3 d轴控制框图

由图3可求出d轴电流前向传递函数如式(3)所示

(3)

(4)

使用工程法设计PI控制器的比例系数和积分系数如式(5)所示

(5)

2 重复PI控制

2.1 重复控制思想

重复控制是基于内模原理的一种控制方法，内模原理的本质是将系统外部信号动态模型(即为内模)植入控制系统内以此来构成高精度的反馈控制系统，使系统能够无静差地跟随输入信号[8]。若要求一个反馈控制系统具有良好的跟踪指令和抵消扰动影响的能力(即稳态时误差趋于零)，并且对误差的调节过程是结构稳定的，则在反馈控制环路内部必须包含一个描述外部输入信号(含指令信号和扰动信号)动力学特性的数学模型，这个外部信号的数学模型就是所谓的“内模”[9]。当内模中描述的是周期信号的时候，闭环系统就能够无静差的跟踪周期信号。

2.2 重复控制结构

如图4所示是重复控制系统的基本结构图。

图4 重复控制结构图

重复控制系统由周期延迟环节z-N、低通滤波器Q(z)和补偿器C(z)组成，其中N代表一个基波周期内的采样次数。z-N这一环节是把当前周期的误差信号转变成为下一周期控制的输入信号，从而使各个周期内重复出现的扰动消除。Q(z)为低通滤波器或取值介于0和1之间的常数，主要为了避免给系统带来位于单位圆上的极点。C(z)是针对控制对象传递函数设计的补偿器，目的是使控制对象具有零相移、单位增益的特性，以改善系统的性能。

2.3 重复控制器设计

逆变器输出电压频率为50 Hz，系统的采样频率为10 kHZ，N=200，考虑逆变器输出的稳态精度和稳定性Q(z)取为常数0.95。用超前拍数环节来补偿数字控制的延迟以及控制对象的相位滞后，并估算超前拍数为3，即选择超前环节为z3，滤波器选择陷波滤波器和二阶滤波器，陷波滤波器用于消除逆变器的谐振峰值，二阶滤波器用于提高系统的抗干扰能力[10]。

2.4 总体控制策略

三相并网逆变器重复PI控制结构框图如图5所示，整个系统包含三个控制器：直流侧电压PI控制器，电流PI控制器和重复控制器。输出电流基波在同步旋转坐标下被转换为直流分量和周期性扰动分量，PI控制器及重复控制器并联作用在控制系统的前向通道中，共同对系统的输出产生影响，直流侧PI控制器维持直流侧的母线电压稳定，并给出并网电流的给定值。

图5 重复PI控制框图

图6 仿真系统图

图7 三相并网电流波形图

3 仿真研究

为了验证本文电流重复PI控制策略的正确性，在Matlab/Simulink中搭建系统的仿真模型如图6所示。仿真系统中，选取的参数为：电网电压的有效值为220 V，电感值为3 mH，R=1 Ω，Tpwm为100 μs，开关频率为10 kHz，输出电压的频率为f=50 Hz，仿真时间为0.2 s。

图8 A相并网电压电流波形图

图9 PI控制时输出电流FFT分析图

图10 重复PI控制时输出电流FFT分析图

图7和图8给出了加入死区后逆变器输出三相并网电流波形图以及A相电压和电流的波形图。图9和图10分别对采用PI控制和重复PI控制的逆变器输出电流进行了傅里叶分析，输出电流的总谐波畸变率分别为6.69%和1.32%。重复PI控制的效果是显而易见的，极大地减小了输出电流的波形畸变。

4 结论

本文仿真分析了基于重复PI控制策略的光伏并网逆变器，采用重复控制抑制周期性扰动，解决了单纯使用PI控制不能消除周期扰动的问题，同时利用了PI控制提高系统的动态性能。仿真结果通过傅里叶分析可以看出本文提出的重复PI控制策略使得输出电流的总谐波畸变率很小，系统具有良好的稳态性能和动态性能。

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TheResearchofGrid-connectedInverterCurrentControlbasedonSVPWM

LI Dong-hui, SANG Yuan

(The College of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

In order to improve the output power quality of the photovoltaic grid power system, the paper analysis the base of the repetitive control principle and put forward the repetitive control calculate PI control based on space vector control strategy, the repetitive control can restrain the periodic disturbance caused by factors such as dead zone, PI control is to improve the dynamic performance of the system and the dc voltage loop is to stabilize the dc bus voltage. The result of Matlab/Simulink verify the effectiveness of the proposed control method, and total harmonic distortion rate of the three-phase grid current is 1.32%.

photovoltaic grid connected; inverter; current control; repetitive control; PI control

2014-06-23修订稿日期2014-08-26

李冬辉(1962～)，男，博士，教授、博士生导师，研究方向为楼宇自动化及节能技术等。

TM712

A

1002-6339 (2014) 05-0419-04