張雪煜，常大泳，郭雪麗，尚光偉，顧瑛

（1.國(guó)網(wǎng)南陽(yáng)供電公司，河南南陽(yáng)473005；2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083）

光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張雪煜1,2，常大泳1，郭雪麗1，尚光偉1，顧瑛1

（1.國(guó)網(wǎng)南陽(yáng)供電公司，河南南陽(yáng)473005；2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083）

以單相光伏并網(wǎng)逆變器為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于準(zhǔn)比例諧振控制的并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)控制器和基于自抗擾控制的直流電壓外環(huán)控制器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)?；贛atlab/Simulink仿真平臺(tái)和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的合理性和正確性。

光伏逆變器；并網(wǎng)控制；準(zhǔn)比例諧振控制；自抗擾控制

在追求低碳生活的今天，太陽(yáng)能作為一種清潔的分布式可再生能源被廣泛利用，光伏并網(wǎng)技術(shù)的研究已經(jīng)成為電力電子行業(yè)的研究熱點(diǎn)。在并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)控制技術(shù)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，系統(tǒng)的并網(wǎng)控制效果直接關(guān)系到并網(wǎng)電能的質(zhì)量和整個(gè)光伏系統(tǒng)的運(yùn)行效率；而能否成功進(jìn)行并網(wǎng)，在很大程度上取決于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這就對(duì)系統(tǒng)使用的并網(wǎng)控制策略的合理性提出了較高的要求。

本文研究的并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，并網(wǎng)逆變器為單相全橋逆變電路，并網(wǎng)濾波器為L(zhǎng)濾波器。該并網(wǎng)逆變器的輸入為電壓源輸入，控制模式為電流控制，所以，并網(wǎng)控制系統(tǒng)兩個(gè)關(guān)鍵控制目標(biāo)為直流電壓控制和逆變器輸出電流控制。目前，直流電壓控制的主要控制方法為經(jīng)典PID控制，逆變器輸出電流控制器也是PID控制器。PID控制器廣泛應(yīng)用于控制工程實(shí)踐中，但通過一系列工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，該控制器的結(jié)構(gòu)存在著固有的缺陷：PID控制器的輸入誤差的提取存在不合理性，反饋?zhàn)饔玫男Ч^差，控制對(duì)象具有局限性，積分環(huán)節(jié)容易引起系統(tǒng)振蕩和控制量飽和等問題。針對(duì)上述缺點(diǎn)，本文提出了一種改進(jìn)型的光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)中，由于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)受外界光照和溫度等外部擾動(dòng)較大，其拓?fù)潆娐分械臑V波器、穩(wěn)壓電感等電子元件的存在使得系統(tǒng)本身也具有不確定性，所以采用自抗擾控制器作為并網(wǎng)控制系統(tǒng)的外環(huán)來控制逆變器直流側(cè)電壓；由于并網(wǎng)電流為交流參考信號(hào)，常規(guī)PI控制難以消除其穩(wěn)態(tài)誤差，故采用比例-諧振控制器(proportion-resonant controller，PR Controller)作為該控制系統(tǒng)的并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)控制器，該控制器能夠跟蹤正弦參考電流，實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差。

圖1 并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)

1 電壓外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

本文采用的電壓控制器為自抗擾控制器，控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知，電壓環(huán)控制對(duì)象為一階環(huán)節(jié)，則該自抗擾控制器為一階控制器，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

自抗擾控制器由跟蹤微分器(TD)、狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)和非線性反饋控制率(NLSEF)3個(gè)部分構(gòu)成。跟蹤微分器主要作用是跟蹤輸入信號(hào)并安排過渡過程，一方面要實(shí)現(xiàn)快速跟蹤小孤傲，另一方面要使跟蹤信號(hào)一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值而沒有超調(diào)，避免對(duì)控制對(duì)象的沖擊。結(jié)合光伏并網(wǎng)逆變器的特點(diǎn)，本文選取的跟蹤微分器如式(1)：

擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器是自抗擾控制的關(guān)鍵技術(shù)。該控制器為一階系統(tǒng)，則擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器為二階觀測(cè)器，兩個(gè)輸出狀態(tài)變量分別是控制目標(biāo)和系統(tǒng)擾動(dòng)和(內(nèi)部不確定性和外部擾動(dòng)總和)。為系統(tǒng)的控制量，同時(shí)也是內(nèi)環(huán)電流的參考輸入幅值都是系統(tǒng)可以測(cè)量的變量，作為ESO的輸入。確定ESO的形式如式(2)：

2 電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)控制采用PI控制器，其算法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但不能做到無靜差跟蹤[1]。幅值的穩(wěn)態(tài)誤差導(dǎo)致了系統(tǒng)效率的下降，相位的誤差使得并網(wǎng)逆變器的功率因數(shù)減小。另外，PI控制抵抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的能力有限，因此對(duì)前饋補(bǔ)償有較高的依賴性?？紤]到PI控制存在的缺點(diǎn)，本文的電流內(nèi)環(huán)控制考慮選用準(zhǔn)比例-諧振控制技術(shù)。比例-諧振控制器能夠?qū)崿F(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差，且對(duì)正弦參考電流跟蹤性強(qiáng)。準(zhǔn)比例諧振控制器是基于比例-諧振控制器的一種改進(jìn)控制器，可以克服PR控制器對(duì)模擬、數(shù)字系統(tǒng)的精度要求高、難以實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)，增大PR控制器在非基波頻率處的增益，當(dāng)電網(wǎng)頻率產(chǎn)生偏移時(shí)，增加系統(tǒng)抑制擾動(dòng)的能力。

該控制器既可以保持PR控制器的高增益，還可以減小電網(wǎng)頻率偏移對(duì)逆變器輸出電流的影響[2]。在準(zhǔn)PR控制器的控制下，并網(wǎng)電流控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 基于準(zhǔn)PR控制的電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖3可知，該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

3 控制系統(tǒng)

在整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器連接著光伏電池和電網(wǎng)，是系統(tǒng)的主要設(shè)備，其控制效果會(huì)對(duì)直流側(cè)母線電壓的穩(wěn)定以及并網(wǎng)電流的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。要實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)控制，就要綜合考慮光伏電池特性與并網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)要求，針對(duì)并網(wǎng)逆變器選擇適合的控制方法。

忽略系統(tǒng)中功率變換器帶來的損耗后，如果逆變器的輸出功率和光伏電池的輸出功率不能保持一致的話，二者之間的功率差值一定會(huì)表現(xiàn)在中間直流環(huán)節(jié)的母線電壓上。當(dāng)光伏電池的輸出功率大于逆變器的輸出功率時(shí)，值將增加，反之值減少[4]。可以說，值的變化能夠反映系統(tǒng)的輸入與輸出功率是否處于平衡狀態(tài)，因此要將值控制在限定范圍之內(nèi)。另外，可以通過改變逆變器的輸出電流幅值，及時(shí)調(diào)整其輸出功率與光伏電池的輸出功率保持一致，從而既保證了直流母線電壓的穩(wěn)定，又使得光伏電池具有最大功率輸出[4]。

因此，本文中的單相光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制部分采用雙閉環(huán)控制，并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)逆變控制，直流電壓外環(huán)完成電壓的穩(wěn)定工作。單相光伏發(fā)電系統(tǒng)雙閉環(huán)并網(wǎng)控制框圖如圖4所示。

圖4 單相光伏發(fā)電系統(tǒng)雙閉環(huán)并網(wǎng)控制框圖

本文所設(shè)計(jì)的單相單級(jí)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。并網(wǎng)控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)逆變控制，直流電壓外環(huán)完成電壓的穩(wěn)定工作。電壓外環(huán)控制器采用文中敘述的自抗擾控制器，該控制器穩(wěn)定直流側(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)逆變器輸入、輸出能量的平衡。電流內(nèi)環(huán)采用文中敘述的準(zhǔn)比例諧振控制器，控制并網(wǎng)電流的質(zhì)量和并網(wǎng)功率大小。該控制器的參考輸入由電壓外環(huán)輸出的電流參考幅值與鎖相環(huán)(PLL)檢測(cè)得到的電網(wǎng)電壓相位sinθ相乘得到，這樣能保證并網(wǎng)電流的單位功率因數(shù)。為了抑制電網(wǎng)電壓擾動(dòng)，加入一個(gè)電網(wǎng)電壓前饋控制，電流環(huán)控制器的輸出與電網(wǎng)電壓的前饋信號(hào)疊加后，經(jīng)過SPWM調(diào)制后的輸出驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，從而實(shí)現(xiàn)單相逆變器的并網(wǎng)控制。

4 仿真和實(shí)驗(yàn)

4.1 電流控制器仿真

基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，將電網(wǎng)電壓頻率從50 Hz偏移到48 Hz，仿真結(jié)果見圖5和圖6。其中，準(zhǔn)PR控制參數(shù)取0.3，取80，取2.5 rad/s。

圖5 電網(wǎng)頻率偏移時(shí)準(zhǔn)PR控制下的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓之間的關(guān)系

圖6 電網(wǎng)頻率偏移時(shí)準(zhǔn)PR控制下的誤差電流波形

由圖5看到，并網(wǎng)電流在0.35 s之后基本趨于穩(wěn)定，在電網(wǎng)電壓頻率產(chǎn)生偏移的情況下，穩(wěn)態(tài)時(shí)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓之間基本不存在相位誤差。圖6是準(zhǔn)PR控制下給定參考電流與得到的并網(wǎng)電流之間的誤差電流波形，可以看到誤差電流基本為零。證明了在電網(wǎng)電壓頻率產(chǎn)生偏移的情況下，采用準(zhǔn)PR控制時(shí)，并網(wǎng)電流很好地跟蹤到了給定參考電流，驗(yàn)證了準(zhǔn)PR控制具有良好的抵抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的能力。

4.2 自抗擾電壓控制仿真

直流母線電壓采用自抗擾控制的仿真結(jié)果見圖7和圖8。圖中，控制參數(shù)取值為：=1.25，α=1/3，σ=0.1，β1=1 000，β2=500，b=1，k1=15。

由圖7可以看出，當(dāng)直流母線電壓采用自抗擾控制時(shí)，= 0 s時(shí)刻控制開始，電壓超調(diào)很小，在=0.1 s之后就趨于穩(wěn)定；在=0.5 s時(shí)光強(qiáng)突變，直流電壓產(chǎn)生較小超調(diào)；在=0.62 s之后就穩(wěn)定運(yùn)行在360 V左右，穩(wěn)態(tài)時(shí)的紋波較小。對(duì)應(yīng)圖8中的并網(wǎng)電流在=0 s、=0.5 s時(shí)刻之后產(chǎn)生的超調(diào)也較小，電流控制系統(tǒng)經(jīng)過較短的調(diào)整時(shí)間就能穩(wěn)定并網(wǎng)運(yùn)行。因此，采用自抗擾控制時(shí)，克服了在外界干擾下PI控制超調(diào)大、調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，使系統(tǒng)的抗外界干擾能力大大增強(qiáng)，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4.3 并網(wǎng)控制實(shí)驗(yàn)

圖9是準(zhǔn)PR控制下的并網(wǎng)電流波形，由圖9可知，并網(wǎng)電流很好地跟蹤了電網(wǎng)電壓，相位誤差幾乎為零，且并網(wǎng)電流所含的諧波較少。實(shí)驗(yàn)波形驗(yàn)證了準(zhǔn)PR控制器的合理性與優(yōu)越性。

圖7 自抗擾控制下光強(qiáng)突變時(shí)的直流母線電壓變化

圖8 自抗擾控制下光強(qiáng)突變時(shí)的并網(wǎng)電流變化

圖9電流環(huán)準(zhǔn)PR控制下并網(wǎng)電流穩(wěn)態(tài)波形

圖10 是直流母線電壓采用自抗擾控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)波形，從圖10中可以看到直流母線電壓穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓紋波較小，與仿真結(jié)果基本一致。

圖10 電壓環(huán)自抗擾控制下直流母線電壓穩(wěn)態(tài)波形

實(shí)驗(yàn)過程中，光強(qiáng)突然增強(qiáng)時(shí)，自抗擾控制下的并網(wǎng)電流變化過程如圖11所示。從圖11中可以看到，直流母線電壓采用自抗擾控制時(shí)，并網(wǎng)電流經(jīng)過0.08 s就逐漸趨于穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。實(shí)驗(yàn)證明采用自抗擾控制時(shí)，電流控制系統(tǒng)經(jīng)過較短的調(diào)整時(shí)間就能穩(wěn)定并網(wǎng)運(yùn)行，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗擾能力。

圖11 電壓環(huán)自抗擾控制下并網(wǎng)電流的波形變化

5 結(jié)論

本文對(duì)單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的有效性與合理性。在硬件平臺(tái)上得出的實(shí)驗(yàn)波形與仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了控制方法的可行性。

[1]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：科學(xué)出版社，2001：170-174.

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[4]葉斌.電力電子應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：12.

《燃料電池基礎(chǔ)》

燃料電池（MFC）是21世紀(jì)最有希望的新一代綠色能源動(dòng)力系統(tǒng)，有助于解決能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題。本書是一本淺顯易懂的教材和專業(yè)入門書籍，涵蓋了關(guān)于燃料電池的基礎(chǔ)科學(xué)與工程學(xué)。本書側(cè)重于基本原理，簡(jiǎn)單明了地描述了燃料電池是如何工作的、為什么它可以產(chǎn)生如此高效的潛能，以及如何最佳地利用其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)等。

Control system design for PV grid system

ZHANG Xue-yu1,2,CHANG Da-yong1,GUO Xue-li1,SHANG Guang-wei1,GU Ying1

Single-phase photovoltaic inverter was the study object.A grid dual-loop control system based on the quasi-resonant control ratio and net current inner loop controller and ADRC controlled DC voltage loop controller was designed.Finally,based on Matlab/Simulink simulation platform and photovoltaic systems experimental device,the system simulation and experimental studies were taken,and the reasonable and correct of the control system were verified by the simulation and experimental results.

PV invert;control for grid system;proportion-resonant controller;ADR

TM 464

A

1002-087 X(2015)03-0571-03

2014-08-17

張雪煜(1994—)，女，河南省人，學(xué)士，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電。