基于比例谐振控制器的逆变控制系统研究

郑喻，牛欢欢，付登昊

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

基于比例谐振控制器的逆变控制系统研究

郑喻，牛欢欢，付登昊

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

针对传统的PI控制不能实现正弦信号的无差调节，提出了基于比例谐振控制控制器的电网电流外环、滤波电容电流内环的双环控制策略，通过在matlab/simulink中搭建仿真模型来验证所提出的控制策略的正确性和可行性。

比例谐振；电流外环；电压外环

1 引言

随着光伏发电系统技术的不断改进和应用，对其输出电压波形的要求也越来越高，然而高质量的电压输出波形不仅要稳态精度高而且要响应速度快[1，2]，因此，对三相光伏并网逆变系统控制器的研究就显得尤为重要。通常研究较多的是两相旋转坐标下的PI控制，因为这种控制的控制量是旋转坐标系下的直流量，相对而言控制比较简单，但是由于PI控制在两相旋转坐标下的系统dq轴间是相互耦合的，要想实现无功有功的独立控制，就需要对系统进行解耦控制，而解耦控制的精确与否将直接影响系统的控制性能，这将使得控制系统的设计变得复杂[3]。因此，本文将对基于比例谐振(PR)控制器[4]进行研究，这种控制方法是将三相光伏并网系统通过Clark变化转换到两相静止坐标系αβ下，此种方法减少了dq旋转坐标变换和复杂的解耦控制，使控制器设计变得简单。

2 基于双电流环的并网控制策略

2.1 系统结构

在光伏并网逆变系统中，电网可以近似等效为一个无穷大的电压源，这样整个光伏发电系统就可以看作是电压源与电压源的并联，为了保证系统并网的稳定运行，需要保证逆变器输出电压与电网电压相位和频率的一致，因此本文所采用的电网电流外环电容电流内环的双电流控制方法，只要保证从逆变电路输出的进网电流跟随电网电压的变化，与电网电压保持频率和相位相同，即可实现光伏发电系统与电网并列稳定运行的目的，图1是三相光伏并网逆变系统的结构框图。

2.2 控制器参数的选取

为了使系统稳定运行，就需要为内外环控制器选择合适的参数。由于电流控制的响应速度比电压控制的响应速度快很多，双电流控制器的设计就不能像电压、电流控制那样分别设计内、外环控制器的参数。因此，对于电网电流外环、电容电流内环的双电流环控制结构采用极点配置的方法[5-6]。

图1 光伏系统双环控制结构图

本文采用了基于并网电流外环，电容电流内环的双闭环控制策略，图2是控制结构框图，图中G1=Kp+Kis/(s2+w02)为外环控制器，实现系统无误差的跟踪并网电流正弦参考信号；G2(s)=Kc为内环控制器，其作用是增加系统的稳定性，更加自由的分配闭环极点的位置，增大系统阻尼比的选择范围。

图2 双闭环控制框图

根据图4.11，可得系统的开环传递函数为：

(1)

式中：

(2)

一般情况下，由于惯性时间常数T很小，可以忽略不计，由此可得到系统的闭环传递函数为：

(3)

由此，得到系统的闭环特征方程为：

D(s)=B0s4+B1s3+B2s2+A0s+A1

(4)

(5)

比较式(4)和式(5)，得到：

(6)

由式(2)看B2/B0出只与LCL滤波器参数有关，因此当LCL滤波器参数确定了之后，B2/B0为一定值。因此根据给定的m、n、ξ、ωn中的任意三个，由式(6)中的B2/B0式便可求出另一个，再将m、n、ξ、ωn代入式(6)即可求出电流双环内外环控制器的参数。最后，将求出的控制器参数代入劳斯-赫尔维茨稳定判据式(7)。

(7)

设计的控制器参数只要满足式(7)，系统就能稳定的运行。

3 三相光伏并网逆变系统仿真分析

为了验证基于比例谐振控制的正确性，在Matlab/simulink中搭建系统的仿真模型，如图3所示。仿真参数设置为：输入直流电压Udc为700V，电网电压为220V/50Hz，光伏发电系统额定功率Pn为10kVa，开关频率fsw为5kHz，逆变器侧电感L1为4mH，滤波电容C2为20uF，网侧电网L2为1mH。图4为PR控制器的仿真模型，其选取的控制器参数为：KP=0.56，KR=50.16，KC=38.85。

本文中所采用的两相静止坐标系下的PR控制相比于两相旋转坐标系下的PI控制，不需要复杂的旋转坐标变换和解耦控制就可以实现系统的有功和无功的单独控制。图5～图7是基于准比例谐振的并网控制的仿真结果，从图中可以看出，并网电流电压都是以一个稳定的幅值进入电网,系统的有功和无功之间不存在耦合，进网电流和电网电压始终保持着同频同相，系统功率因数接近1，从而说明了文章中所采用的控制策略的正确性。

图3 三相光伏并网逆变仿真模型

图4 PR控制器的Matlab仿真模型

图5 进网电压电流有效值

图6 有功无功曲线

3 结论

本文通过说明PI控制不能实现正弦信号的无差调节，从而引入PR控制器，并采用基于电网电流外环、滤波电容电流内环的双环控制策略，通过在Matlab/Sinmlink中搭建了三相光伏逆变并网系统的模型并进行了仿真，验证了基于电网电流外环、电容电流内环的双电流环控制策略，不仅能够保证逆变器输出电流与电网电压同频同相，实现单位功率因数并网，而且三相系统在两相静止坐标系下不存在耦合，无需复杂的解耦，再配合PR控制器，就能够很好地实现系统有功和无功的独立控制。

图7 A相并网电压电流波形

[1] 熊健，周亮，张凯，等.一种高性能的单相逆变器多环控制方案[J].电工技术学报，2006;21(12): 79-83.

[2] 沈亚瑞，宋建成.基于双闭环控制的单相逆变器研究[J].电气开关，2012,21(4): 21-24.

[3] 武健，徐殿国，何娜.并联有源滤波器输出LCL滤波器研究[J] .电力自动化设备，2007,27(1)：17-20.

[4] WANG T,YE Z H,SINHA G,et al.Output filter design for a grid-interconnected three-phase inverter[C].Power Electronics Specialists Conference.Acapulco,Mexco:[s.n]s,2003:779-784.

[5] 范心明.基于SIMULINK的SVPWM仿真[J] .电气传动自动化，2009,31(3)：19-22.

[6] 刘家军,姚李孝，吴添森,等.PSCAD/EMTDC中SVPWM算法的实现[J] .电力系统保护与控制，2010,38(18)：120-124.

Research on an Inverter Control System Based on the Proportional Resonant Controller

ZHENGYu,NIUHuan-huan,FUDeng-hao

(College of Electrical Engineering & New Energy,China Three Georges University,Yichang 443002,China )

For the conventional PI control cannot achieve the non-error adjustment of sinusoidal signal,is proposed based on the proportion resonance control controller grid current outer loop,inner ring of the filter capacitor current inner double-loop control strategy by building a simulation model in the MATLAB/Simulink to verify the correctness and feasibility of the proposed control strategy.

proportion resonance;current outer loop;voltage outer loop

2014-10-14

牛欢欢(1987-)，女，硕士生，研究方向：光伏发电系统控制。

1004-289X(2015)05-0045-03

TM57

B