基于重復(fù)控制和電壓前饋控制的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究與設(shè)計
摘要：提出了一種基于重復(fù)控制和電網(wǎng)電壓前饋控制相結(jié)合的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。重復(fù)控制可以抑制周期性的負(fù)載擾動，改善穩(wěn)態(tài)情況下的并網(wǎng)電流波形；同時，采用電網(wǎng)電壓的前饋控制來抵消電網(wǎng)的影響，使系統(tǒng)近似成為一個簡單的無源跟隨系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，控制策略簡單有效，系統(tǒng)的并網(wǎng)電流波形較好。
關(guān)鍵詞：并網(wǎng)；重復(fù)控制；前饋控制
引言
近年來，隨著能源消耗的大規(guī)模增加，可再生能源受到了廣泛重視，各種并網(wǎng)發(fā)電裝置的應(yīng)用逐漸增多。然而，隨著投入使用的并網(wǎng)逆變裝置增多，其輸出的并網(wǎng)電流諧波對電網(wǎng)的污染也不容忽視，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1]，并網(wǎng)逆變器輸出的電流波形總諧波畸變率應(yīng)該<5％，各次諧波畸變率應(yīng)<3％?；诖?，本系統(tǒng)采用了電網(wǎng)電壓的前饋控制來抵消電網(wǎng)的影響，使系統(tǒng)近似成為一個無源跟隨系統(tǒng)；同時，采用并網(wǎng)電流的重復(fù)控制技術(shù)[2][3]以抑制周期性的負(fù)載擾動，改善穩(wěn)態(tài)情況下的并網(wǎng)電流波形。而對于電壓型逆變器來說，改善動態(tài)特性的最好方法應(yīng)該是采用電流控制策略，同時，由于并網(wǎng)逆變器的負(fù)載為容量近似無窮大的電網(wǎng)，電壓波形基本上是50Hz的正弦波，因此，本系統(tǒng)采用直接電流控制方式[4]，使并網(wǎng)輸出電流直接跟蹤給定并網(wǎng)電流的離散正弦值，實現(xiàn)并網(wǎng)電流的正弦化，且為單位功率因數(shù)。
1 主電路構(gòu)成
1．1 主電路結(jié)構(gòu)
圖1為系統(tǒng)的主電路及控制結(jié)構(gòu)圖。由圖1可知，系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)為單相全橋結(jié)構(gòu)，功率器件采用智能功率模塊IPM75RSA060，功率輸出端利用標(biāo)準(zhǔn)工頻升壓變壓器隔離和升壓。由控制目標(biāo)可知系統(tǒng)為輸出電流受控的電壓型有源逆變器，逆變器的輸出側(cè)呈現(xiàn)受控電流源特性。系統(tǒng)的控制部分采用TI公司生產(chǎn)的高速DSP芯片TMS320LF2407A作為控制核心，外擴直流電壓、直流電流、電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流等檢測電路，通過實時檢測電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流等參量，由軟件完成并網(wǎng)電流的鎖相同步功能。系統(tǒng)采用單極性SPWM控制方式，單相全橋結(jié)構(gòu)的兩個橋臂分別輸出相位差互為180°的高頻SPWM波，經(jīng)過電感濾波后，去除高頻載波信號，向電網(wǎng)饋入高質(zhì)量的正弦電流波形。由圖1可知，光伏陣列接收的能量先經(jīng)過全橋逆變和電感濾波，再由升壓變壓器隔離、升壓后以受控電流源的方式并入電網(wǎng)，整個系統(tǒng)和電網(wǎng)隔離，運行安全可靠。
1．2 系統(tǒng)逆變環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型
圖1中取流經(jīng)濾波電感L的電流iL為狀態(tài)變量，則由圖1可得并網(wǎng)逆變器的功率輸出側(cè)電壓方程
式中：Uab為未經(jīng)濾波的逆變器輸出SPWM波；
n為升壓變壓器的變比；
r為濾波電感、變壓器和線路的等效電阻。
由式（1）經(jīng)過拉氏變換，可解出
當(dāng)逆變器的開關(guān)頻率較高時，忽略開關(guān)器件和死區(qū)的影響，則SPWM控制方式下的橋式逆變器可近似為一個等效的放大系數(shù)為K的放大環(huán)節(jié)，即
G（s）=Kpwm （3）
由式（2）及式（3）可得到系統(tǒng)的并網(wǎng)電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。
1．3 逆變輸出側(cè)電壓矢量圖
由式（1）可得功率輸出側(cè)的電壓矢量圖，如圖3所示。
（a）r=0 (b)r≠0
2 系統(tǒng)的控制方式
為了使逆變器輸出良好的并網(wǎng)電流波形，必須對逆變器的輸出并網(wǎng)電流進行閉環(huán)控制。死區(qū)、逆變器內(nèi)部的不對稱因素、直流側(cè)電壓和電網(wǎng)等擾動的存在都會使得逆變器輸出的并網(wǎng)電流波形畸變，當(dāng)采用傳統(tǒng)的PI控制來跟蹤正弦給定信號時，存在如下一些局限性：
1）當(dāng)跟蹤信號為快速變化的正弦波時，從理論上來說，整個系統(tǒng)是個有差系統(tǒng)，不可能做到無靜差跟蹤；
2）雖然可以通過增大比例系數(shù)來減小穩(wěn)態(tài)誤差，但是，比例系數(shù)增大會導(dǎo)致控制精度降低，甚至?xí)瓜到y(tǒng)產(chǎn)生振蕩；另外，增大比例系數(shù)還可能會同時放大噪聲信號，因此，比例系數(shù)不可能取得太大。
由此可知，傳統(tǒng)的PI控制在本系統(tǒng)中并不能實現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差跟蹤，而近年來提出的基于內(nèi)模原理的重復(fù)控制不僅可以實現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差跟蹤，而且能夠抑制負(fù)載的周期性擾動，有效降低并網(wǎng)電流波形的THD。
2.1 重復(fù)控制
20世紀(jì)80年代，Inoue等人根據(jù)內(nèi)模原理的思想提出了重復(fù)控制理論。它是利用內(nèi)模原理，在穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一個可以產(chǎn)生與參考輸入同周期的內(nèi)部模型，從而使系統(tǒng)實現(xiàn)對外部周期性參考信號的漸近跟蹤。包含這一模型的控制器被稱為重復(fù)控制器，具有這種控制器的系統(tǒng)被稱為重復(fù)控制系統(tǒng)，如圖4所示。
圖4中虛線框內(nèi)為重復(fù)控制器，由周期延遲正反饋環(huán)節(jié)和補償器S(z)組成。P(z)為控制對象的傳遞函數(shù)，d為擾動信號，N為每周期采樣次數(shù)，S(z)為重復(fù)控制器的一個補償環(huán)節(jié)，目的是改造控制對象，使系統(tǒng)在中低頻段為單位增益，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度[5]。本實驗中，開關(guān)頻率為10kHz，輸出并網(wǎng)電流的頻率為50Hz，故N為200。當(dāng)誤差e每周期出現(xiàn)時，重復(fù)控制器的輸出逐周期累加，當(dāng)e=0時，重復(fù)控制器的輸出并不消失，只是停止變化，維持上次的波形，并且逐周期地輸出此波形。在一般的重復(fù)控制系統(tǒng)中，為了得到較好的動態(tài)性能，通常把重復(fù)控制器嵌入到常規(guī)的控制環(huán)內(nèi)。
由圖4可知，系統(tǒng)內(nèi)模部分的脈沖傳遞函數(shù)為
對于理想的重復(fù)控制系統(tǒng)來說，跟蹤參考信號的頻率范圍應(yīng)該為無窮大，而實際應(yīng)用中，跟蹤任意高的頻率信號是不可能的，因此，Q(z)應(yīng)具有低通特性，以對周期性干擾產(chǎn)生良好的抑制作用。Q(z)與系統(tǒng)的收斂速度和收斂程度密切相關(guān)，若Q(z)=1，則系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時將徹底抑制周期性干擾；但考慮到穩(wěn)定性，則Q(z)=1時系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性較差。故在實際設(shè)計時，Q(z)可取為比1稍小的數(shù)。本實驗中，Q(z)取為0.95。
2.2 電網(wǎng)電壓的前饋控制
重復(fù)控制能夠?qū)χ芷谛缘恼医o定信號實現(xiàn)無靜差跟蹤，而且輸出波形畸變率小，但由于對誤差的跟蹤控制滯后一個給定信號周期，因而動態(tài)性能較差，尤其對于負(fù)載等的瞬時擾動信號，重復(fù)控制近似于開環(huán)控制，此時系統(tǒng)的輸出波形畸變較嚴(yán)重，因此，為了及時抑制電網(wǎng)等的瞬時擾動，本系統(tǒng)采用了電網(wǎng)前饋控制策略，以抵消電網(wǎng)的影響，使系統(tǒng)近似成為一個無源跟隨系統(tǒng)，從而簡化了系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，改善了系統(tǒng)的控制效果。在直流側(cè)電壓一定時，電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)的增益應(yīng)為系統(tǒng)逆變橋路增益的倒數(shù)，即1/Kpwm，從而實現(xiàn)電網(wǎng)電壓的精確對消，使系統(tǒng)更加接近于一個無源跟隨系統(tǒng)。前饋控制框圖如圖5所示。
3 系統(tǒng)控制框圖
系統(tǒng)控制框圖如圖6所示，包括兩個控制環(huán)，外環(huán)為直流電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為并網(wǎng)電流環(huán)；外環(huán)的給定電壓值是光伏陣列的最大功率跟蹤[6]（MPPT）模塊輸出值，反饋值為光伏陣列電壓值，對誤差進行PI調(diào)節(jié)后，外環(huán)輸出iref作為并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)的電流幅值給定；iref乘以離散的正弦值后作為電流內(nèi)環(huán)的離散值給定，電流內(nèi)環(huán)采用重復(fù)控制，其等效傳遞函數(shù)為Gc(s)，重復(fù)控制器逐基波周期地累加給定電流和反饋電流的偏差e，并輸出相應(yīng)的控制量以改善輸出電流波形，此處的重復(fù)控制器相當(dāng)于直流電路中的積分調(diào)節(jié)器作用；同時，由圖6可知，電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為
即采用電網(wǎng)電壓的前饋控制后，電網(wǎng)的影響被完全抵消，系統(tǒng)基本上成為一個無源跟隨系統(tǒng)；也就是說，在并網(wǎng)電流給定值為零的情況下，通過前饋控制計算出一個和電網(wǎng)電壓相對應(yīng)的占空比，用來抵消電網(wǎng)電壓的影響，使系統(tǒng)近似成為一個無源跟隨系統(tǒng)。
4 實驗結(jié)果
根據(jù)以上分析，本文進行了具有MPPT功能的光伏并網(wǎng)逆變器的實驗研究，實驗參數(shù)如下：開關(guān)頻率為10kHz，濾波電感0.6mH，變壓器變比為230/180，控制芯片采用TI公司生產(chǎn)的高速信號處理器TMS320LF2407A，控制方式采用重復(fù)控制和電網(wǎng)電壓前饋控制。其實驗波形如圖7所示，CH1為并網(wǎng)電流波形，CH2為電網(wǎng)電壓波形。由實驗結(jié)果可以看出，采用上述控制策略時，并網(wǎng)電流波形較好，完全能夠滿足THD的要求。
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