劉吉宏, 劉鵬飛, 張樹新, 王劉菲
(北京電子科技職業(yè)學院 機電工程學院, 北京 100176)
光伏并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)重要的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備,其控制性能直接影響到發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量[1]。 逆變器控制目標是濾除開關(guān)頻率的諧波,保證輸出電流的正弦度,實現(xiàn)對并網(wǎng)電流的精確跟蹤,保證滿足并網(wǎng)條件。
文獻[2]針對LC 型濾波并網(wǎng)逆變器提出了一種自適應滑模全局魯棒電壓控制算法,該算法可以降低逆變系統(tǒng)輸出電壓的抖振、諧波畸變率和穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差,提高了逆變系統(tǒng)輸出電壓的動態(tài)調(diào)節(jié)能力及抵御濾波參數(shù)攝動的能力。 但LC 逆變系統(tǒng)并網(wǎng)時,輸出電壓被電網(wǎng)電壓鉗位,只有濾波電感對并網(wǎng)電流進行濾波,電容沒有濾波效果,影響并網(wǎng)電流和基準電流的相位以及并網(wǎng)效果。 與LC 型濾波器相比,LCL 型濾波器成本低、損耗小、濾波效果好,能夠減小并網(wǎng)電流的沖擊作用。 但LCL 型濾波器為欠阻尼三階系統(tǒng),存在一個諧振點,容易發(fā)生諧振,影響系統(tǒng)穩(wěn)定和增加控制難度。 常用的諧振尖峰抑制方法主要有無源阻尼法和有源阻尼法[3],[4]。無源阻尼法無需傳感器,無須改變控制算法,但在大功率場合中,電阻會消耗大量能量,需要加裝散熱裝置,增加了設(shè)備投入[5],[6]。 有源阻尼法不增加額外的電阻,不會給電路帶來額外的能量損耗。 有源阻尼法可分為3 類:基于濾波器與電流調(diào)節(jié)器級聯(lián)的有源阻尼、基于系統(tǒng)降階的有源阻尼以及基于狀態(tài)變量反饋的有源阻尼[7]。目前,并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中,普遍使用有源阻尼法中的電容電流反饋控制法, 該方法增加了系統(tǒng)阻尼,提高了諧振尖峰抑制能力[8],[9]。 文獻[10]提出了電容電流比例反饋和并網(wǎng)電流反饋的雙閉環(huán)控制策略,該策略雖然具有較好的動、靜態(tài)性能,但設(shè)計過程較復雜。為避免諧振,文獻[11]對系統(tǒng)進行降階處理,方便了控制算法的設(shè)計,但在前饋函數(shù)設(shè)計時沒有考慮逆變器的延時, 影響了系統(tǒng)控制效果。 由于逆變器的輸出電壓須與電網(wǎng)鉗位, 因此一般采用電流控制方案, 主要包括PI 控制、滯環(huán)控制、無差拍控制、比例諧振控制、準比例諧振控制、 重復控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制等[12]~[21]。 PI 控制易實現(xiàn),在實際中應用較多,但對正弦量的跟蹤存在誤差,而且魯棒性能也較差?;W兘Y(jié)構(gòu)控制的控制律更簡單, 對系統(tǒng)的數(shù)學模型精確性要求不高,并具有響應速度快、動態(tài)性好等優(yōu)點, 但所設(shè)計的滑模平面都是定常的滑模平面, 對滑模面以外的干擾和參數(shù)攝動不具有強魯棒性。
本文采用雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu), 可以實現(xiàn)多目標的控制作用。內(nèi)環(huán)引入濾波電容電流的比例-慣性反饋環(huán)節(jié),抑制和提高帶寬;外環(huán)電流控制器采用全局魯棒滑模變結(jié)構(gòu)控制,跟蹤給定的正弦參考信號,同時對外界干擾和參數(shù)不確定性具有全局魯棒性。 仿真結(jié)果驗證了本文方法在跟蹤效果和抗干擾方面優(yōu)于常規(guī)的PI 控制算法。
三相LCL 型光伏并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中:Vdc為直流側(cè)電壓;Cd為直流側(cè)電容,維持母線電壓恒定;S1~S6為構(gòu)成全橋逆變電路的6 個開關(guān)管;L1,L2,C 分別為LCL 濾波器的濾波電感及濾波電容;R1,R2為LCL 濾波電感的寄生電阻;i1為逆變器逆變側(cè)的電流;i2為逆變器并網(wǎng)側(cè)電流;Vg為電網(wǎng)電壓。
假定電網(wǎng)電壓三相波形對稱,并且沒有畸變。通過坐標變換,三相電路可轉(zhuǎn)換為兩相對稱電路,取LCL 濾波器的單相等效電路進行研究,單相電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 單相電路拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Topological structure of single-phase circuit
取LCL 型濾波器為被控對象,濾波器并網(wǎng)電流i2為被控量,電網(wǎng)電壓ug為擾動量。 由圖2 可得到單相LCL 濾波器結(jié)構(gòu)框圖,如圖3 所示。
圖3 單相LCL 濾波器結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of single-phase LCL filter
不考慮寄生電阻,根據(jù)梅遜公式和圖3 可得:逆變器輸出電壓到入網(wǎng)電流i2的傳遞函數(shù)和電網(wǎng)電壓擾動ug到入網(wǎng)電流i2的傳遞函數(shù)分別為
由式(1)得到圖3 的等效框圖,如圖4 所示。
圖4 系統(tǒng)等效框圖Fig.4 The system equivalent block diagram
由于電容電流反饋簡單易于實現(xiàn), 可采用該有源阻尼方式抑制尖峰諧振。 采用濾波電容電流比例反饋的有源阻尼方法,可以提高帶寬,同時可等效于在濾波電容上并聯(lián)阻尼電阻, 而并聯(lián)電阻的阻尼效果不如在電容支路上串聯(lián)電阻。 為達到與在濾波電容支路串聯(lián)電阻的等效效果, 在電容電流反饋回路中加入慣性環(huán)節(jié), 提高了系統(tǒng)的阻尼,同時具有微分效果。反饋通道上的傳遞函數(shù)為
式中:T1為慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù);Ki為慣性環(huán)節(jié)增益;Kp為比例增益。
引入電容電流比例-慣性反饋后, 逆變器輸出電壓到入網(wǎng)電流的傳遞函數(shù)為
結(jié)合普通線性滑動模態(tài)與快速Terminal 滑動模態(tài)的優(yōu)點,通過設(shè)計合適的控制律,使系統(tǒng)在有限的時間內(nèi)由滑動模態(tài)的任意初態(tài)漸進收斂到平衡零點。 利用Terminal 吸引子改善趨向平衡態(tài)的收斂速度,使得系統(tǒng)狀態(tài)無論在遠離平衡點,還是接近平衡點時,都具有快速收斂的速度。
由式(6)得到系統(tǒng)的能控標準型為
外環(huán)分別采用PI 控制算法和全局魯棒滑模變結(jié)構(gòu)控制算法, 內(nèi)環(huán)采用基于電容電流比例-慣性反饋的有源阻尼算法,進行對比仿真研究。為便于比較, 對實驗結(jié)果作了歸一化處理。 仿真條件:電網(wǎng)電壓為220 V,直流側(cè)電壓為360 V,開關(guān)頻率為10 kHz。 LCL 濾波器參數(shù):L1=1.066 mH,L2=1.022 mH,C=10 μF,R1=R2=0.005 Ω。
理想電網(wǎng)條件下, 入網(wǎng)電流給定值為標準正弦函數(shù),對比仿真實驗結(jié)果如圖5 所示。
圖5 入網(wǎng)電流性能對比曲線Fig.5 Comparison curve of state performance of grid current
由圖5 可知, 相同設(shè)計參數(shù)下,PI 控制算法存在跟蹤誤差, 而全局魯棒滑模變結(jié)構(gòu)算法具有較好的跟蹤效果,能夠較快地跟蹤電流給定值。
通過改變網(wǎng)側(cè)電感的方式模擬系統(tǒng)參數(shù)的攝動。將網(wǎng)側(cè)電感值由1.022 mH 變?yōu)?.5 mH 后,實驗曲線如圖6 所示。
圖6 參數(shù)攝動時入網(wǎng)電流對比曲線Fig.6 Comparison curve of grid current under parameter perturbations
由圖6 可以看出,當系統(tǒng)參數(shù)改變時,本文方法對改變不敏感,表現(xiàn)出較強的魯棒性。這是因為系統(tǒng)參數(shù)的攝動可被視為外界擾動, 全局滑??刂剖峭ㄟ^設(shè)計一種動態(tài)非線性滑模面來實現(xiàn)的,消除了滑??刂频竭_的運動階段, 使系統(tǒng)的狀態(tài)開始就位于滑模面上, 在響應的全過程對外界擾動具有強魯棒性,實驗結(jié)果驗證了這一點。
為驗證系統(tǒng)的諧振抑制能力, 在電網(wǎng)電壓中加入13 843 rad/s 的微量擾動信號,對比曲線如圖7 所示。
圖7 加入微量擾動時入網(wǎng)電流對比曲線Fig.7 Comparison curve of grid current under the micro-perturbations
由圖7 可以看出,與PI 控制算法相比,采用本文的控制策略,系統(tǒng)的入網(wǎng)電流更加光滑,諧振峰值得到了很好地抑制。
圖8,9 分別為兩種控制策略入網(wǎng)電流的諧波頻譜分析圖。
圖8 全局魯棒滑??刂茣r入網(wǎng)電流諧波分析Fig.8 Harmonic analysis of grid current in GSMC
圖9 PI 控制時入網(wǎng)電流諧波分析Fig.9 Harmonic analysis of grid current in PI
由圖8,9 可以看出,基于全局魯棒滑模變結(jié)構(gòu)的控制算法的總諧波失真 (Total Harmonic Distortion,THD)僅為1.59%,明顯低于常規(guī)PI 控制算法的THD 值12.84%。 實驗結(jié)果驗證了本文的控制策略在諧波抑制性能方面有明顯提高。
LCL 型光伏并網(wǎng)逆變器是一個三階系統(tǒng),在諧振頻率處存在幅值增益尖峰,穩(wěn)定裕度小。本文采用有源阻尼法, 通過電容電流反饋增加系統(tǒng)的阻尼,構(gòu)成控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán),有效地抑制了諧振峰值。為了更好地跟蹤參考信號,有效地抑制電網(wǎng)電壓的干擾和模型參數(shù)攝動, 外環(huán)的電流控制器采用全局魯棒滑模變結(jié)構(gòu)控制算法, 使系統(tǒng)的狀態(tài)始終位于滑模面上,保證控制的全局魯棒性。仿真結(jié)果驗證了控制方法的有效性。