基于dSPACE的单相并网逆变器控制策略研究

夏梓豪，李玉东

(河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454003)

并网逆变技术在新能源发电中起到至关重要的作用，且电能质量由并网逆变装置决定[1-5]。并网逆变器、滤波器及其控制策略参数设定决定了并网逆变装置性能的质量[6]。单电感L型滤波器谐波抑制谐波能力强于LCL滤波器。LCL滤波器体积小、成本低，但其参数选取较为复杂，需要考虑多种因素。LCL型滤波器会产生谐振，导致并网逆变装置不稳定[7]，因此对系统的控制设计提出了更高的要求。

在并网电流控制策略中，电流的总谐波失真(Total Harmonic Distortion，THD)是衡量并网逆变系统的重要指标之一。相关研究表明，影响并网电流THD的原因有[8]两点：(1)并网逆变系统需通过逆变环节实现电能质量变换和输入输出功率的传输。电力电子开关频率过大会导致并网电流THD增大，影响电能质量；(2)在并网逆变系统的闭环控制策略中，电流内环性能对THD的影响较大。为解决并网电流谐波含量较高的问题，研究人员对并网逆变器拓扑结构、控制策略及算法均进行了深入的分析和研究。其中，电能质量的好坏将影响光伏并网逆变器系统的性能，因此电能质量分析已成为当前研究热点[9]。研究人员提出多种控制策略来提高电能质量[10-16]，例如PI控制、滞环控制、重复控制、无差拍控制等。文献[10]提出的PI控制具有简单、响应速度慢的特点。但开关器件频率和电网电压扰动都对PI控制有影响，逆变器输出电流谐波含量仍较大。文献[11～12]提出的滞环控制具有较快的动态响应，但其控制精度受滞环宽度影响，环宽越大所需控制精度越小，此外滞环控制损耗较大，也易对系统造成影响。文献[13～14]提出的重复控制内模延迟环节会导致其动态性能较差。文献[15～16]提出的无差拍控制具有响应速度快、电流控制精度高等优点，但需占空比当前拍计算当前拍输出，否则伤害系统稳定性。

本文采用准比例谐振控制(Quasi-Proportional Resonance，QPR)与电压前馈相结合的控制策略来提高并网电流质量。根据准比例谐振控制在谐振频率处增益无穷大的特点来消除并网电流稳态误差，并在电流内环引入电压前馈消除电压对系统影响，从而改善电能质量。分析对比了不同QPR控制器参数对系统影响设定最优参数，最后建立MATLAB/Simulink仿真模型并搭建dSPACE-DS1104半实物仿真平台来验证控制策略有效性。

1 并网逆变器拓扑结构

图1 单相并网逆变器控制结构Figure 1. Single-phase grid-connected inverter control structure

2 准比例谐振控制器原理及离散化

2.1 电压前馈与准比例谐振控制器原理

图2为电流环控制框图，G(s)为QPR控制器。逆变环节忽略延迟环节和死区等非线性因素，等效为比例环节KPWM。Ug对于系统而言为扰动量，H为反馈系数。电流环传递函数为

(1)

图2 电流环结构框图Figure 2. Block diagram of current loop structure

引入电压前馈如图2所示。由式(1)得，当满足

(2)

(3)

此时可消除电压对系统影响，使系统获得更好的跟随性和抗干扰性能，从而提高电能质量。

电压畸变、电力系统频率偏移等非理想条件因素导致并网电流低频次谐波含量高。逆变装置通常采用经典的PI控制器，该控制器是线性控制器，其中的积分环节是为了减少静态误差，比例环节是为减少系统偏差。PI控制器的传递函数为

(4)

式中，Kp是比例增益；Ki是积分增益。PI控制器在谐振频率处增益为

(5)

其中，API是PI控制器在谐振频率处增益，理想PR控制器传递函数为

(6)

式中，Kr、Kp分别为谐振系数与比例系数。理想PR控制器在谐振频率处增益如式(7)所示。

(7)

PI控制在系统整体的频率处增益较小，理想PR控制在基波频率处增益无穷大。基于实际数字系统和元件参数精度限制，在非理想条件下谐波抑制效果较差，故理想PR控制器在实际中难以实现。本文选用QPR控制器，其原理为：在两相旋转坐标系下持续对正、负序分量提供增益，实现对谐波信号无静差调节。QPR控制器的传递函数为

三组中度患者治疗前MMRC评分、6MWD、FEV1预计值比较差异无统计学意义（P＞0.05），治疗后，策略1组和策略2组较治疗前明显改善，两组改善程度优于对照组，策略2组的6MWD、FEV1预计值改善程度更明显（P＜0.05），见表1。

(8)

当s=jω时，代入式(9)，使得增益无穷大。

(9)

当QPR控制器在基波频率时，控制器增益为无穷大，相角位移是0，可实现对特定次频率进行无误差跟踪。由图3可知，QPR控制器由两部分组成，分别是两个积分环节以及一个比例环节。输入信号i*经过Kp和准谐振控制器通道，采用频域设计的方法实现对比例系数Kp与准谐振系数Kr的调节。

图3 准比例谐振控制器结构框图Figure 3. Block diagram of the quasi-proportional resonant controller

图4为PI与QPR控制器开环传递函数伯德图。由图4可得QPR控制器伯德图在谐振频率处增益比PI控制下大，且电流内环相角裕度在QPR控制下明显大于PI控制下相角裕度。综上所述，QPR控制提高了系统的稳定性。

图4 QPR与PI控制下伯德图Figure 4. Bode diagram under QPR and PI control

2.2 准比例控制器参数设计

从式(6)可看出准比例谐振控制器有Kr、ω0、Kp3个参数。ω0为谐振频率，通常取工频50 Hz(工频的整数倍)；Kp为积分系数，本文取0.5；ωc是截止频率，这3个参数决定了系统的性能。截止频率ωc与谐振频率大小呈现正相关的关系，谐振范围随着准比例谐振控制器中谐振频率增大而增大，本文利用控制变量法对参数进行分析。

图5为当ωc保持不变时，Kr变化的伯德图。由图可知，当ωc保持不变时，Kr参数值越大，准谐振控制器在谐振点处增益越大，截止频率ωc决定带宽大小。

图5 Kr参数不同时伯德图Figure 5. Bode diagram with different Kr values

图6为当Kr保持不变时，ωc变化的伯德图。由图6可以看出，随着截止频率ωc增大，谐振频率ω0处增益也会增大。Kr与ωc并不是无限增大，在非理想状态下Kr影响系统收敛性和稳定性，当Kr取值过大则系统稳定性、收敛性较差；ωc决定系统选频特性，当ωc取值过大，系统选频特性与控制性能会变差。

图6 ωc参数不同时伯德图Figure 6. Bode diagram with different ωc values

综上所述，对于准比例谐振控制器参数设定首先确定截止频率ωc，谐振系数Kr决定控制器增益大小，需根据系统抗干扰性和稳定性确定比例系数。Kp与参数Kr相互影响，要根据所选系统实际情况确定ωc和Kr的最佳参数，本文取ωc=5 rad·s-1，Kr=60，Kp=0.5。

2.3 准比例谐振离散化

本文采用双线性变换对QPR控制器进行离散化处理[17-18]

(10)

将式(10)带入式(8)得离散域传递函数为

(11)

其中

(12)

根据式(12)可得数字信号处理器dSPACE实现差分计算式如下

(13)

式中，u(k)为QPR控制器输出；ei(k)为电流误差信号。

3 仿真及实验结果

3.1 仿真结果

搭建MATLAB/Simulink仿真模型，仿真参数如下：开关频率为20 kHz，电容为2.8 μF，逆变侧电感为1 mH。图7(a)为PI控制下仿真图，图7(b)为QPR控制与电压前馈结合策略下电压与并网电流仿真波形。图7(a)表明在电压畸变条件下PI控制无法消除并网电流的不平衡，且并网电流纹波较大。图7(b)表明QPR控制与电压前馈结合策略下并网电流电流纹波小，消除了电流平衡问题，表明所提控制策略有效。图7(c)为PI控制下FFT分析图，并网电流为4.61 A，谐波含量为8.37%，大于国际标准，电流质量较差。图7(d)为QPR控制下FFT分析图，并网电流为4.53 A，谐波含量为1.63%。仿真结果表明QPR控制与电压前馈相结合控制策略可有效抑制并网电流谐波，改善并网电流质量。

(a)

(b)

(c)

(d)图7仿真结果(a)PI控制下仿真波形 (b)QPR控制下仿真波形(c)PI控制ig谐波含量 (d)QPR控制ig谐波含量Figure 7.Simulation results(a)Simulation waveform under PI control(b)Simulation waveform under QPR control(c)PI control ig harmonic content(d)QPR control ig harmonic content

3.2 实验结果

为了进一步验证并网逆变系统中QPR控制与电压前馈结合策略的有效性，在dSPACE-DS1104半实物仿真平台下进行实验测试，对PI和QPR控制与电压前馈结合策略在稳定运行状态下电压电流波形进行验证。dSPACE-DS1104半实物实验系统如图8所示，主要由dSPACE-DS1104控制器、逆变电路、功率器件驱动电路组成。实验参数如表1所示。

表1 实验参数

(a)

(b)图8 dSPACE-DS1104半实物实验系统(a)半实物系统结构控制图(b)dSPACE-DS1104半实物实验系统实物图Figure 8. dSPACE-DS1104 semi-physical experimental system(a)Control diagram of semi-physical systemstructure(b)Physical diagram of the dSPACE-DS1104 semi-physical experiment system

如图9(a)、图9(b)所示分别为PI控制与QPR控制与电压前馈结合策略下电压与并网电流实验波形。相较于PI控制，QPR控制下并网电流波形正弦度更好，电流纹波更好，电流谐波含量低，电压和电流质量都有所改善。

(a)

(b)图9两种不同控制策略下实验波形(a)PI控制下实验波形(b)QPR控制与电压前馈控制实验波形Figure 9. Experimental waveforms under two different control strategies(a)Experimental waveform under PI control(b)Experimental waveforms of QPR control and voltage feed-forward control

图10(a)是未使用电压前馈时入网电流、电压实验波形，如图10(b)所示为采用电压前馈后入网电流、电压实验波形。由两者对比分析可知，采用电压前馈后，可更好抑制电压、电流谐波分量，提高电能质量，实现单位功率因数并网。

(a)

(b)图10采用电压前馈对比实验波形(a)未采用电压前馈前馈时实验波形(b)采用电压前馈后实验波形Figure 10. Comparison of experimental waveforms using voltage feed-forward(a)Experimental waveform without voltage feed-forward(b)Experimental waveform after adopting voltage feed-forward

4 结束语

本文采用单相并网逆变器系统作为控制对象，为提高并网电流质量，采用QPR控制与电压前馈相结合控制策略来减小并网电流THD，提高并网质量。准比例谐振控制在谐振频率处具有无穷大增益，可以实现并网电流零稳态误差控制，电压前馈可以消除电压对系统影响，并提高并网电流质量。本文最后建立MATLAB/Simulink仿真模型，并搭建dSPACE-DS1104半实物仿真平台，验证了该策略的有效性。