基于改进型比例谐振控制的三相光伏并网策略

吴增强， 邹海荣， 魏 浩

(上海电机学院 电气学院, 上海 200240)

基于改进型比例谐振控制的三相光伏并网策略

吴增强， 邹海荣， 魏 浩

(上海电机学院 电气学院, 上海 200240)

为弥补比例谐振(PR)控制器带宽窄、抗频率偏移能力差等缺点，利用Matlab/Simulink仿真软件分析了准比例谐振(Quasi-PR)控制器的不足，并在其谐振环节增加零点，以提高其在谐振频率处的增益；与Quasi-PR控制器进行比较，结果表明改进后的Quasi-PR控制器提高了系统的响应时间与电网的抗干扰能力，减小了跟踪电流误差。

光伏逆变器; 准比例谐振控制器; 谐波补偿; 频率偏移

太阳能作为一种可再生能源，具有无污染、蕴含量大等优点，受到各国的重视[1]，故太阳能光伏的应用已成为研究的热点。作为连接光伏电池及电网接口的光伏并网逆变器，是太阳能并网应用的关键部件[2]，而逆变器的控制策略直接影响了整个光伏并网发电系统的效率，故对其进行研究具有重要的意义。

传统的PI(Proportional Integral)控制器，通过Clarke及Park变换,将三相交流电变成在静止坐标系下的两相直流电[3-4]，但是，在dq坐标系下的直流电存在强耦合，需要复杂的解耦控制才能完成。虽然使用PI加电网电压前馈控制可以减小静差，但是不能完全消除静差。一些学者提出了比例谐振(Proportional Resonant, PR)[5-6]控制的方法。PR控制器在谐振频率处能提供无穷大的增益，理论上可以实现特定频率的无静差控制，但是在其他频率处，则无法实现无静差跟踪；而且，由于带宽窄等原因，该控制器易受电网干扰。为弥补PR控制器的不足，一些学者提出了准比例谐振(Quasi Proportion Resonant, Quasi-PR)[7-8]控制器。该控制器通过牺牲PR控制器在特定频率处的部分增益来提高带宽，虽然提高了在频率附近的增益，也相应地提高了系统的抗频率偏移能力，但由于在特定频率处的增益减小，故不可避免地存在静差。

为减小Quasi-PR控制器的跟踪静差及提高抗频率偏移能力，本文在Quasi-PR控制器的谐振环节增加了一个零点，利用仿真对比了改进前、后的控制器在电流内环跟踪直流电流的能力和抗电网干扰能力，验正了改进后的Quasi-PR控制器的有效性及正确性。

1 三相光伏并网逆变器控制结构及策略

1.1主电路拓扑结构

图1所示为基于L型滤波器的并网逆变器主电路拓扑结构图。其中，Udc为直流侧电压，V1～V6为开关管组成的三相半桥电路，交流侧等效电阻Rs和交流侧等效电感Ls组成了L型滤波器，Ea、Eb、Ec为三相对称电网电压。N为电网中性点，C为直流母线侧电容[9]。

图1 基于L型滤波器的三相并网逆变器拓扑Fig.1 Topology of three phase grid connectedinverter with L-filter

定义开关函数Sk(k=a，b，c),若上桥臂导通，下桥臂关断，记Sk=1;若上桥臂关断，下桥臂导通，记Sk=0。根据图1及基尔霍夫定律可得：

(1)

式中，UN为中性点N的电压。

为实现三相电流解耦，经Clarke变化，可得:

(2)

式中，Iα、Iβ、Uα、Uβ、Eα、Eβ分别为两相电流、二相电压和电网电压。

式(2)为主电路的数学模型，其中，

(3)

(4)

1.2逆变器控制策略

图2 基于L型滤波器并网逆变器的控制策略Fig.2 Control strategy of grid-connectedinverter with L-filter

2 Quasi-PR控制器的分析

传统的PR控制器带宽窄，当电网频率偏移时，很难实现无静差跟踪，且容易受到电网的干扰。Quasi-PR控制器在PR控制器的基础上进行改进，通过牺牲特定频率处的增益来增加带宽，提高了抗电网频率偏移能力，其传递函数为[13-15]:

(5)

式中，KP、KI分别为比例系数和积分系数；ωc为截止角频率,主要影响系统的带宽；ω0为谐振角频率。当KP越大，非谐振频率处的幅值就越大，而谐振角频率处的幅值变化并不明显；当KI越大时，谐振角频率处的增益就越大，对带宽没有影响。

Quasi-PR控制器增加了带宽，在ω0处的幅值却减小了，且系统存在静差。为增加Quasi-PR控制器在谐振处的幅值及带宽，本文对Quasi-PR进行改进，在其谐振部分增加一个零点，其传递函数为

(6)

图3给出了KP=14,KI=20,ωc=2.5rad/s时，Quasi-PR控制器改进前、后的波特图。

图3 Quasi-PR控制器改进前、后的波特图Fig.3 Bode diagram of Quasi-PR controllerand improved controller

由图3可见，在谐振角频率处，改进的Quasi-PR控制器较Quasi-PR控制器的幅值和带宽都有所增加。

逆变器在光伏并网控制中，改进后的Quasi-PR控制器的电流内环在α轴下系统控制框图如图4所示。

图4 改进后的Quasi-PR控制器的系统结构Fig.4 Structure diagram based on improvedQuasi-PR controller

图中，I*(S)、I(S)分别为参考指令电流与实际并网电流；E(S)为电网电压；GPWM为PWM环节传递函数,

由图4可得:

(7)

由图3可知，在ω0处，改进后的Quasi-PR控制器的增益远大于改进前控制器的增益，故不需要通过调节KP、KI即可实现G′(S)GPWM(S)GR(S)的增益远大于1，避免了在KP、KI的调节过程中，对系统稳态性能和抗干扰能力的影响。由于

G′(S)GPWM(S)GR(S)≫1

(8)

在只考虑电网扰动的情况下，对Quasi-PR控制器及改进后的Quasi-PR控制器的传递函数进行简化，得它们对电网扰动波特图如图5所示。

图5 电网扰动时，Quasi-PR控制器改进前、后的波特图Fig.5 Bode diagram of Quasi-PR controller under power-line interference before and after improvement

由图5可见，Quasi-PR闭环系统在谐振角频率处的扰动信号衰减至-36.4dB，改进后的Quasi-PR在谐振角频率处扰动信号衰减至-72.4dB，故后者在抗电网电压干扰上优于前者。

3 仿真实验

为验证改进后的Quasi-PR控制器的正确性及有效性，利用Matlab/Simulink对基于改进的Quasi-PR控制器进行三相光伏并网仿真研究，搭建了10kW光伏发电系统。系统仿真参数如表1所示。

表1 系统仿真参数Tab.1 Simulation parameters of the system

图6给出了A相并网电流与电压仿真结果图。由图可见，系统并网电流与并网电压实现了单位功率因素控制，验证了改进后Quasi-PR控制器的有效性。

图6 A相并网电流与A相电网电压仿真图Fig.6 Simulation diagram of phase currentand phase grid voltage

图7给出了Quasi-PR控制器改进前、后的电流跟踪仿真图。由图可见，在相同控制条件下，Quasi-PR控制器在改进前、后都能消除输出电流跟踪指令电流的相位误差，但前者控制输出电流跟踪指令电流还存在着幅值误差，而后者的幅值误差则较小，从而证明了改进后的Quasi-PR控制器的有效性。

图8为在改进后的Quasi-PR控制器控制下，仿真时间t=0.1s时，电网频率由50Hz偏移到50.5Hz时的A相电流频谱。

图7 Quasi-PR控制器改进前、后的电流跟踪仿真结果Fig.7 Simulation diagram of tracking current in Quasi-PR controller before and after improvement

图8 电网频率由50Hz偏移至50.5Hz时的A相电流频谱Fig.8 Spectrum of A phase current of power line frequency shift from 50Hz to 50.5Hz

由图8(a)、(b)可见，在电网频率偏移前，并网电流的总谐波失真(Total Harmonic Distortion)THD=0.78%，并网电流的谐波含量较小;而0.1s后，频率偏移至50.5Hz，达到电网正常工作情况下的允许的最大偏移量0.5Hz，此时，并网电流的THD=1.39%<5%，完全满足并网的要求。

4 结 语

本文在Quasi-PR控制器的谐振环节增加零点，利用波特图分析对比了Quasi-PR改进前后的控制静差与抗电网干扰的作用，理论上证明了改进后的Quasi-PR控制器的正确性及有效性。仿真结果表明，改进后的Quasi-PR控制器在控制电流静差上效果较好；当电网频率发生偏移时，并网电流谐波能够满足并网要求，抗电网干扰能力较强。

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Three-Phase Photovoltaic Grid Based on Improved Resonant Controllers

WUZengqiang,ZOUHairong,WEIHao

(School of Electrical Engineering, Shanghai DianJi University, Shanghai 200240, China)

To make up the shortfalls of narrow bandwidth and weak ability against frequency deviation of proportion resonant controller. The shortage of the quasi-proportion resonant(Quasi-PR) controller is analyzed by Matlab/simulink. Zeros are added to the proportion link of a proportion resonant controller to improve the gain at the resonant frequency, and compared to a proportion resonant controller. The result shows that the described resonant controller can improve system response time, and increase the ability of resisting interference from power lines, reduce current track error.

photovoltaic inverter; quasi-proportion resonant controller; harmonic compensation; frequency deviation

2014 - 06 - 28

国家自然科学基金项目资助(51377104)

吴增强(1986-)，男，硕士生，主要研究方向为新能源发电技术，E-mail: 393479225@qq.com

2095 - 0020(2014)05 -0263 - 06

TM 464；TM 615

A