遼寧工業(yè)大學 唐 源 孟麗囡

對于光伏并網發(fā)電系統(tǒng)來說，逆變器的并網控制策略是關鍵。針對比例諧振控制策略靜態(tài)性能較差，抗干擾能力不足等問題，提出了比例諧振控制結合重復控制的復合并網控制策略，既能夠保留比例諧振控制對于正弦參考信號的無靜差跟蹤能力，又引入重復控制降低系統(tǒng)諧波含量。最后通過仿真驗證了所提控制策略的可行性，能夠有效降低系統(tǒng)的THD值。

隨著人們對能源的依賴和強烈需求，使得國內外將研究的焦點放在了能源的合理開發(fā)和利用上。目前，太陽能憑借其清潔、可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)勢為經濟和環(huán)境的和諧發(fā)展帶來巨大的希望，這種發(fā)展將導致世界各國更加專注對于光伏發(fā)電系統(tǒng)技術的研究，以確保發(fā)電系統(tǒng)的可行性并提高其效率、擴大使用規(guī)模。而對于光伏并網發(fā)電系統(tǒng)來說，逆變器的并網控制策略則是關鍵。

最常用的控制方法是PI控制，該方法的優(yōu)點在于控制器的設計簡單，且成本較低，但是由于該控制是在直流坐標系下進行，需要復雜的解耦過程，并且無法追蹤交流分量，存在穩(wěn)態(tài)誤差問題。針對這一問題，陽喜提出了比例諧振控制（PR）方法，PR控制方法可以直接控制交流分量，實現無靜差跟蹤交流信號，具有較好的動態(tài)性能。但是PR控制器帶寬較小，除了在特定頻率處增益無窮大外，其它頻率處增益很小，抗干擾能力不足。針對上述問題，本文以T型逆變器拓撲結構為基礎，在準PR控制中加入重復控制器，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時降低諧波含量。最后利用仿真驗證了控制策略的可行性和有效性。

1 基于重復準PR的并網控制策略

基于重復準PR控制的LCL型并網逆變器雙閉環(huán)電流控制策略框圖如圖1所示。

圖1 雙閉環(huán)控制原理

其中G(s)為控制器的傳遞函數；Kc表示電容電流反饋系數；Kpwm表示逆變器等效增益。圖中內環(huán)用于抑制傳統(tǒng)LCL濾波器的諧振尖峰，采用電容電流反饋方法。外環(huán)用于對并網電流進行反饋控制，采用重復準PR并網控制策略。

1.1 準比例諧振控制策略

準比例諧振控制是基于比例諧振控制改進的一種方法，PR控制器在諧振頻率處有無窮大增益。如果將PR控制器的諧振頻率設置為基波頻率便可以實現對電網基波頻率的無靜差跟蹤。PR控制器的傳遞函數為：

其中，Kp為比例系數；KR為諧振系數；ω0=2πf0為基波角頻率。

由式(1)得到PR控制器在基頻ω0處的增益為：

由式(2)可以看出，該增益趨于無窮大，也就是PR控制器將一個無限大的增益引入到了其基波頻率處，其它頻率處的增益沒有變，所以PR控制能夠實現并網逆變器輸出電流的無靜差控制。

本文采用的是一種準PR控制器，在PR控制器上增加了零點，其控制器的傳遞函數為：

1.2 重復控制策略

重復控制的基本思想來源于內膜原理，它巧妙地構造了一個“重復信號發(fā)生器”的內膜，重復控制的離散形式為：

式(4)中N代表周期內采樣次數；Q表示積分衰減系數；S(z)為補償函數。圖2所示為重復控制框圖。

圖2 重復控制結構圖

其中r為參考信號；e為誤差信號；z-N為周期延遲環(huán)節(jié)；Kr為增益系數；zk為超前補償環(huán)節(jié)；S(z)為補償器；P(z)為被控對象；Q(z)為輔助補償器。

1.3 重復控制器的設計

通過對圖2分析可知，重復控制器的設計主要分為以下幾個部分：

（1）積分環(huán)節(jié)Q(z)。為了方便設置Q(z)=0.95。

（2）補償器C(z)是重復控制設計中最重要的，它決定等效控制對象在高頻段中的衰減能力，由以下三部分組成：

第一，二階濾波器S(z)的設計。二階濾波器能夠提高高頻段時的衰減速度，設置其阻尼比ζ=0.7，截止頻率取4KHz，得到最終的傳遞函數為：

第二，相位補償zk的整定。由分析可知，重復控制系統(tǒng)前端存在延時環(huán)節(jié)，導致整個系統(tǒng)相位滯后，這時就需要zk來進行相位補償。通過參數調試，選取k=5補償效果比較好。

第三，增益kr的選擇。kr的大小決定了抑制諧波能力的強弱，通常范圍在0～1之間，但是又不能等于1，因為當取kr的時候發(fā)現雖然能夠完全的抑制周期性諧波干擾，但是又暴露出穩(wěn)定性和魯棒性的問題。故本文選取kr=9。

2 仿真驗證

為了驗證所提控制策略的正確性和可行性，在Matlab/Simulink中搭建T型逆變器仿真模型，仿真參數設置如下：直流側電壓為700V；直流側電容為3600μF；濾波電感L1=2.75mH，L2=1mH，R=3.03Ω，濾波電容為9.76μF；電網額定頻率為50Hz，其它參數按上文所提供設置。分別得到準PR控制和重復準PR控制下電流、電壓波形圖如圖3所示。

圖3 兩種控制下并網電流、電壓波形圖

對比兩張圖可以看到，當系統(tǒng)采用準PR控制策略進行閉環(huán)控制時，并網電壓和電流基本保持同相位，并網電流反應迅速，能夠及時對參考電流進行跟蹤。但是在0.15s后，系統(tǒng)受到了外界干擾，電流波形發(fā)生畸變。而基于重復準PR控制策略的輸出并網電壓、電流波形均較好，并網波形質量較高，雖然在前0.1s系統(tǒng)不穩(wěn)定，但是經過短暫的調整，逐漸變穩(wěn)定。使用Powergui里的FFT工具，分別兩種控制下的T型三電平逆變并網輸出進行傅里葉變換，進而分析并網波形的諧波含量。如圖4所示，設置相同的起始時間為0.01s，頻率都為50Hz。

圖4 兩種控制下網側電流FFT分析對比

圖4(a)為準PR控制下FFT分析圖，其THD=3.34%；圖4(b)為重復準PR控制下FFT分析圖，其THD=0.72%。很明顯，重復準PR控制的THD值更低，即對諧波抑制能力更強。

本文基于T型三電平逆變器模型，提出了一種將準PR控制策略與重復控制策略相結合的復合并網控制策略，既保留了準PR控制器對參考電流的無靜差跟蹤能力，同時引入了重復控制對周期性擾動和對高次諧波良好的抑制能力，最后在Matlab/simulink仿真環(huán)境中，將準PR控制策略和重復準PR控制策略進行對比，驗證了基于重復準PR控制策略具有良好的動靜態(tài)性能，并能夠有效的抑制高次諧波。