光伏微网逆变器的数字前馈PI控制方法

罗丹 廖志贤 蒋清红 蒋品群

摘  要：首先介绍光伏微网逆变器的电路模型及其工作原理，并对电路模型进行简化分析，得到微网逆变器的信号矢量关系，然后通过数学分析，研究和探讨了数字前馈PI控制方法的递推算法，最后基于Matlab平台建立其仿真模型，将数字前馈PI控制方法与滞环控制方法进行对比仿真研究。通过仿真，对两种方法的控制误差、总谐波失真度两个指标进行考察，实验结果表明，在控制误差相同的情况下，光伏微网逆变器的数字前馈PI控制方法的总谐波失真度远小于滞环控制方法，表明数字前馈PI控制方法具有更好的輸出电能质量，性能表现更优越。

关键词：光伏;微网;逆变器;数字前馈PI控制方法

中图分类号：TM464        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）09-0124-02

Abstract： Firstly， the circuit model and working principle of photovoltaic microgrid inverter are introduced， and the circuit model is simplified and analyzed， and the signal vector relationship of microgrid inverter is obtained， and then through mathematical analysis， The recursive algorithm of digital feedforward PI control method is studied and discussed. finally， the simulation model is established based on Matlab platform， and the digital feedforward PI control method is compared with hysteresis control method. Through simulation， the control error and total harmonic distortion of the two methods are investigated. the experimental results show that when the control error is the same. The total harmonic distortion of the digital feedforward PI control method for photovoltaic microgrid inverter is much lower than that of the hysteresis control method， which indicates that the digital feedforward PI control method has better output power quality and better performance.

Keywords： photovoltaic; microgrid; inverter; digital feedforward PI control method

引言

光伏微网发电系统是太阳能光伏发电技术的新型并网发电形式[1]，不仅在民用领域有非常巨大的应用前景，也在军用领域有着重要的战略意义[2]。随着新能源利用技术的不断发展，光伏微网逆变器的控制技术也在不断发展，国内外学者均对光伏微网逆变器展开研究，并且已经取得了一定的研究成果。如，Chia-Chi Chu等学者利用复杂网络方法，对智能微网系统进行网络建模和研究，发现智能微网系统具有小世界网络特性[3];BASEEM KHAN等学者研究智能微网系统的优化问题，以提高系统的稳定性和智能化;在光伏微网逆变器电路中，全桥电路是一种常见的电路拓扑[4，5]，在国内外均有文献报道。但当前光伏微网逆变器控制技术仍然面临诸多挑战，如稳定性、可靠性、电能质量等问题，为此，本文研究基于数字前馈控制的光伏微网逆变器的控制方法，以期为光伏微网系统的工程设计提供理论依据。

1 单相光伏微网逆变器工作原理

1.1 光伏微网逆变器电路原理分析

利用全桥电路设计的微网逆变器电路结构如图1所示。其中，输入部分由滤波电容和光伏电池阵列组成，DC/DC部分由交错并联正激变换器组成，DC/AC部分由全桥电路组成，输出部分是耦合电感及电网。

图1中的输入部分在光伏电池输出端并联滤波电容，光伏电池两端电压纹波幅度被限制在一定范围内，以提高MPPT精度。两个高频正激式变压器交错并联，构成DC/DC变换器，为了研究电流跟踪同步即DC/AC部分的控制，对于输入部分光伏电池和DC/DC变换器，可以合起来看成一个电压源。

1.2 单相光伏微网逆变器的简化模型

对于光伏微网发电系统，光伏微网逆变器的输出电流质量是一个重要的参数，其输出电流应是一个与电网电压、频率、相位同步的正弦波信号。光伏微网逆变器并网运行的简化电路如图2所示。uinv为逆变器输出电压，ug为公共电网电压，RL为线路等效电阻，L为串联的耦合电感，io为逆变器注入电网的电流。

2 基于数字化前馈PI控制同步方法设计

光伏微网逆变器的控制目的是使输出电流以公共电网的电压相位和频率注入电网中。显然地，控制电压信号u与电网电压ug具有很强的关联性，因此电网电压ug可以作为控制电压信号u的成分之一。基于数字化前馈PI控制同步方法如图3所示。

由图3可知，控制电压信号包含PI控制器的输出和电网电压的扰动信号两部分。分析该结构，可以看到，在PI控制项不存在时，电网扰动信号unet仍能使控制电压信号u呈现接近正弦波输出。在连续域中，上述基于PI控制器的电流跟踪同步控制方法的改进结构，其控制电压信号输出的表达式如下：

3 与电流滞环控制方法仿真结果比较分析

3.1 控制误差比较

3.2 输出电流谐波比较

4 结束语

通过对数字前馈PI控制进行分析和改进后，基于MATLAB平台的simulink进行仿真实验，并与滞环控制进行对比，发现：两种方法的控制绝对误差均在±1A，但数字前馈PI控制方法的输出电流总谐波失真度为2.81%，滞环控制方法的输出总谐波失真度为4.02%，即数字前馈PI控制的输出电能质量优于滞环控制方法，可见，本文研究的数字前馈PI控制方法具有良好的控制性能，具有较好的应用前景。

參考文献：

[1]Hosseinzadeh M， Salmasi FR. Fault-Tolerant Supervisory Controller for a Hybrid AC/DC Micro-Grid[J]. IEEE Transactions on Smart Grid， 2018，9（4）：2809-2823.

[2]Wang D， Liu L， Jia H， et al. Review of key problems related to integrated energy distribution systems[J]. CSEE Journal of Power and Energy Systems， 2018，4（2）：130-145.

[3]Chu C， Iu HH. Complex Networks Theory For Modern Smart Grid Applications： A Survey[J]. IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems， 2017，7（2）：177-191.

[4]Huafeng X， Shaojun X， Yang C， et al. An Optimized Transformerless Photovoltaic Grid-Connected Inverter[J]. Industrial Electronics， IEEE Transactions on，2011，58（5）：1887-1895.

[5]李新杰，杜少武，张胜，等.采用降损模式的单相SVPWM全桥逆变器[J].电力电子技术，2010，11.