蔡逢煌， 江彥偉， 王武(福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,福建 福州 350108)

基于解耦控制的單相并網(wǎng)逆變控制算法

蔡逢煌， 江彥偉， 王武
(福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,福建 福州 350108)

并網(wǎng)控制系統(tǒng)存在電網(wǎng)電壓擾動(dòng)與電流控制環(huán)的耦合關(guān)系。首先在數(shù)學(xué)上詳細(xì)分析和推導(dǎo)了電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)電流控制的影響，證明了設(shè)計(jì)電流控制器時(shí)忽略電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的不合理性。同時(shí)，通過(guò)采用解耦控制消除電網(wǎng)電壓對(duì)電流環(huán)的擾動(dòng)，提高系統(tǒng)的電流跟蹤精度 。最后，通過(guò)PSIM軟件進(jìn)行仿真研究，并在一臺(tái)基于TMS320F2808的4 kVA并網(wǎng)逆變器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仿真與實(shí)驗(yàn)表明了控制算法的可行性和優(yōu)越性。

逆變器；電流控制; 電網(wǎng)電壓擾動(dòng)；解耦控制；數(shù)字控制

0 引 言

近年來(lái)，隨著傳統(tǒng)不可再生能源日趨緊張，促使了新能源發(fā)電技術(shù)迅速發(fā)展。并網(wǎng)逆變器是新能源與電網(wǎng)的重要接口，主要控制對(duì)象是電網(wǎng)電流，主要控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)低電流諧波下的單位功率因數(shù)并網(wǎng)。因此，并網(wǎng)電流控制技術(shù)得到眾多學(xué)者的關(guān)注和研究[1-3]。文獻(xiàn)[4-6]指出并網(wǎng)電流控制系統(tǒng)存在電網(wǎng)電壓擾動(dòng)，傳統(tǒng)的并網(wǎng)電流控制器設(shè)計(jì)經(jīng)常忽略電壓擾動(dòng)環(huán)節(jié)，然而并沒(méi)有分析忽略擾動(dòng)的數(shù)學(xué)條件及其合理性，使控制器效果。因此本文首次在數(shù)學(xué)上詳細(xì)分析了電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)電流控制的影響，并給出了基于解耦控制的并網(wǎng)數(shù)字控制算法，最后在一臺(tái)4 kVA的全數(shù)字控制逆變器上進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 并網(wǎng)控制系統(tǒng)分析

本文以單相全橋逆變器為控制對(duì)象，采用單極性控制。其中Lf和Cf分別為濾波電感和濾波電容，因?yàn)闉V波電容很小，所以并網(wǎng)電流控制時(shí)可以忽略電容電流，直接控制電感電流。

圖1 全橋逆變電路拓?fù)?/p>

由圖1，根據(jù)基爾霍夫定律和拉氏變換可得:

(1)

其中D(s)為開(kāi)關(guān)管占空比。

1.1 擾動(dòng)環(huán)節(jié)對(duì)控制環(huán)路的影響分析

最基本的直接瞬時(shí)控制電感電流方法是采用比例調(diào)節(jié)跟蹤正弦電流給定信號(hào)，其占空比表達(dá)式為：

(2)

圖2 電流環(huán)比例控制框圖

其中Kip為比例控制系數(shù)，IR(s)為電流給定，綜合式(1)和(2)，并對(duì)它們做帶零階保持器的z變換，則可得到電流跟蹤比例調(diào)節(jié)在離散域下的控制框圖，如圖2所示。

由圖2可得到IL(z)的表達(dá)式為：

IL(z)=G1(z)IR(z)-G2(z)Vg(z)

(3)

其中G1(z)IR(z)和G2(z)Vg(z)分別為控制器部分和電網(wǎng)電壓擾動(dòng)部分。

(4)

(5)

由式(3)可知電流環(huán)受到了電網(wǎng)電壓擾動(dòng)影響。傳統(tǒng)的控制器分析設(shè)計(jì)方法，通常將擾動(dòng)部分忽略掉，使控制模型近似線性。然而在數(shù)學(xué)上將擾動(dòng)環(huán)節(jié)忽略掉的前提是其相對(duì)于控制器部分所占的比例G趨近于無(wú)窮小，如式(6)。

(6)

圖3給出了在不同的電流給定下G與Kip的關(guān)系曲線。由曲線可知Kip取得越小,G越大；電流給定越小G越大，表明了系統(tǒng)在取得Kip或電流給定較小的情況下，擾動(dòng)部分在電流環(huán)里占的比重越大，電流跟蹤效果越差，因此，擾動(dòng)環(huán)節(jié)更加不可忽略。只有當(dāng)Kip取得較大時(shí)，G才會(huì)趨近于無(wú)窮小，擾動(dòng)環(huán)節(jié)才可忽略。

圖3 不同電流給定下Kip與G的關(guān)系曲線

假設(shè)Vbus保持不變，忽略擾動(dòng)部分，易得到電感電流對(duì)給定電流的閉環(huán)傳遞函數(shù)，并取不同的Kip值代入其中可得到相應(yīng)的幅頻特性曲線。由圖4可以發(fā)現(xiàn)Kip取得比較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)諧振峰，極易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時(shí)由于在實(shí)際的并網(wǎng)控制系統(tǒng)中存在采樣和控制延時(shí)等不可避免的因素，Kip也不可能取得太大。所以G不可能趨近于無(wú)窮小，所以設(shè)計(jì)控制器時(shí)忽略電網(wǎng)電壓擾動(dòng)環(huán)節(jié)是不合理的。

圖4 不同Kip下的幅頻特性曲線

因此，由于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)環(huán)節(jié)的存在和直流母線擾動(dòng)對(duì)控制器的影響，采用比例控制無(wú)法消除電網(wǎng)電壓和母線電壓擾動(dòng)對(duì)電流環(huán)的作用，會(huì)導(dǎo)致輸出電流跟蹤效果差，特別在電流給定或Kip取得較小的情況下更差。采用PI控制器可以提高環(huán)路增益降低擾動(dòng)環(huán)節(jié)所占的比重，然而積分器是個(gè)滯后環(huán)節(jié)，會(huì)使控制的電流存在較大的穩(wěn)態(tài)誤差。

1.2 解耦控制分析

為了消除電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和直流母線電壓對(duì)電流控制環(huán)路的影響，在圖2里的控制環(huán)節(jié)引入電網(wǎng)電壓前饋和直流母線電壓,實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)電壓與電流環(huán)的解耦，此時(shí)占空比表達(dá)式為：

(7)

由式(1)(2)和(8)可得到新的控制框圖，如圖5。

圖5 基于解耦控制的電流環(huán)控制框圖

由圖5易得到IL(z)表達(dá)式如下：

(8)

對(duì)比式(3)，此時(shí)改進(jìn)后的IL(z)表達(dá)式已完全線性化，不再含有電網(wǎng)電壓擾動(dòng)部分即G2=0，電網(wǎng)電壓與電流環(huán)實(shí)現(xiàn)解耦?？刂破鞑糠忠膊辉侔心妇€電壓。將控制參數(shù)Kip代入式(8)中可得到電流閉環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻和相頻特性曲線如圖6(a)。

圖6 電流環(huán)控制系統(tǒng)特性

由圖6(a)可知電感電流對(duì)給定的增益幾乎接近于1，相位幾乎接近于0，說(shuō)明電流環(huán)跟蹤能力強(qiáng)，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能良好。圖6(b)給出了控制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線。由圖可知系統(tǒng)在單位階躍響應(yīng)的過(guò)程中有微小的超調(diào)，經(jīng)過(guò)62.5 μs可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)，調(diào)節(jié)時(shí)間較短，可以滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求。

2 仿真與實(shí)驗(yàn)

2.1 仿真分析

基于上述分析，本文采用PSIM仿真軟件對(duì)控制算法進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)如下：額定功率4 kVA,輸入直流電壓370 V,輸出交流電壓220 V,濾波電感1.3 mH，濾波電容4.4 μF，開(kāi)關(guān)頻率16 k。

圖7 仿真波形

圖7給出了在同樣的電流給定下控制器優(yōu)化前后的電網(wǎng)電壓電流仿真波形。由圖可見(jiàn)采用比例控制時(shí)，由于電壓擾動(dòng)環(huán)節(jié)的存在，即使比例系數(shù)取系統(tǒng)穩(wěn)定條件下的最大值 ，其并網(wǎng)電流幅值仍無(wú)法跟蹤到電流給定，存在約100%的幅值誤差。引入解耦控制后，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了線性化，并網(wǎng)電流可以完全跟蹤電流給定。2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述控制策略，搭建一臺(tái)基于TMS320F2808型DSP的4 kVA單相并網(wǎng)逆變器，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)同仿真參數(shù)。如圖8為電流給定分別為半載和滿載時(shí)的電網(wǎng)電壓電流波形。由圖8可知控制器具有較好的控制效果和電流跟蹤精度，其中電網(wǎng)電壓THD=1.5%時(shí)，電流THD在半載和滿載時(shí)分別為2.5%和1.8%，PF分別和0.998和1。

圖8 并網(wǎng)電壓電流波形

3 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)分析和證明了在并網(wǎng)電流控制器設(shè)計(jì)中傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法將電壓擾動(dòng)忽略的不合理性，因而導(dǎo)致電流控制效果差，并指出電壓擾動(dòng)不能忽略的原因在于控制增益無(wú)法取得較大而使擾動(dòng)部分在整個(gè)控制模型的比重較大。本文通過(guò)在控制器中引入解耦控制技術(shù)可以使控制環(huán)路實(shí)現(xiàn)解耦，提高電流控制效果。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明了解耦之后的控制系統(tǒng)具有良好的輸出特性和電流跟蹤性能。

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A Control Algorithm for Single-phase Grid-connection Inversion Based on Decoupling Control

CAI Feng-huang, JIANG Yan-wei, WANG Wu
(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou Fujian 350108, China)

In the grid connection control system, there exists a coupling relationship between grid voltage disturbance and current control loop. Firstly, this paper presents a detailed mathematical analysis and deduction of the influence produced by grid voltage disturbance upon current control, and proves the irrationality of ignoring the disturbance during the process of designing the current controller. Then, decoupling control is applied to eliminate the disturbance of grid voltage upon the current loop and improve the current tracking accuracy of system. Finally, simulation is made through PSIM, and an experiment is made on a 4 kVA grid connection inverter based on TMS320F2808. The simulation and experiment results verify the feasibility and superiority of the proposed control algorithm.

inverter; current control; grid voltage disturbance;decoupling control;digital control

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013J01178)

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.013

TM464

A

1000-3886(2015)05-0040-03

蔡逢煌(1976-)，男，福建蒲田人，博士，副教授，研究方向：電力電子系統(tǒng)建模與優(yōu)化，電力電子系統(tǒng)控制算法研究與實(shí)現(xiàn)。 江彥偉(1990-)，男，福建璋州人，碩士生，研究方向：電力電子系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 王武(1973-)，男，福建蒲田人，博士，教授，研究方向：電力電子系統(tǒng)建模與優(yōu)化、電力電子系統(tǒng)控制算法研究與實(shí)現(xiàn)。

定稿日期: 2014-10-28