并網(wǎng)逆變器的電流控制方法

1、并網(wǎng)逆變器的電流控制方法 陳敬德，1140319060；楊凱，1140319070；指導(dǎo)老師：王志新（上海交通大學(xué)電氣工程系，上海，200240）摘要：并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的一個核心部件，其控制技術(shù)一直是研究的熱點。其使用的功率器件屬于電力電子設(shè)備，它們固有特性會對系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響，為了防止逆變器中的功率開關(guān)器件處于直通狀態(tài)，通常要在控制開關(guān)管的驅(qū)動信號中加入死區(qū)，這給逆變器輸出電壓帶來了諧波，對電網(wǎng)的電能產(chǎn)生污染。本文對傳統(tǒng)的控制方法重復(fù)控制、傳統(tǒng)的PI控制、dq軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)控制、比例諧振控制進行了總結(jié)分析，并比較了它們的優(yōu)缺點。關(guān)鍵詞：并網(wǎng)逆變器，重復(fù)控制，傳統(tǒng)的PI控制，dq軸旋轉(zhuǎn)坐

2、標(biāo)控制，比例諧振控制0引言 隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，近年來全球范圍內(nèi)包括煤、石油、天然氣等能源日益緊缺，全球?qū)⒃僖淮蚊媾R能源危機，同時，這些燃料能源的應(yīng)用對我們所生活的周圍環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。環(huán)境問題受到了人們的廣泛關(guān)注，為了解決能源緊缺以及環(huán)境污染問題，尋找可再生能源是解決這一問題的有效方式。太陽能因其清潔，無污染的優(yōu)勢受到了人們的青睞，太陽能光伏發(fā)電是目前充分利用太陽能資源的主要方式之一。太陽能發(fā)電主要有單獨運行和并網(wǎng)運行兩種模式，其中并網(wǎng)運行發(fā)展速度越來越快，應(yīng)用的規(guī)模也愈來愈大1。逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，逆變器的工作原理是通過 IGBT、GTO、GTR等功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)

3、斷，把直流蓄電池電能、太陽能電池能量等變換為電能質(zhì)量較高的交流電能，可以把它看成是一種電能轉(zhuǎn)換設(shè)備。功率開關(guān)管的開關(guān)頻率一般都比較高，因此利用它們進行電能轉(zhuǎn)換的效率也比較高，但有一個很大的缺點是由它們組成的逆變系統(tǒng)的輸出電能卻不理想，其輸出的波形中包含了很多對電能質(zhì)量產(chǎn)生不利的方波，而很多場合都要求其輸出的是一定幅值和頻率的正弦波，所以要尋找更好的控制策略來提高逆變器的電能質(zhì)量，讓其輸出各項性能指標(biāo)都滿足要求的波形。目前所用的逆變器可以分為以下兩類：一類是恒壓恒頻逆變器，這類逆變器在各種電源持續(xù)供電的領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，它能夠輸出電壓幅值和頻率都是特定值的交流正弦波，簡稱 CVCF 逆變器。第二類是

4、變壓變頻逆變器，這種逆變器主要用在電動機的調(diào)速系統(tǒng)中，它能夠輸出特定的幅值電壓和頻率，簡稱 VVVF 逆變器2。本文將對并網(wǎng)逆變器的幾種常見控制方法進行總結(jié)，如傳統(tǒng)的PI控制、基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的控制、重復(fù)控制及比例諧振控制。給出了框圖和數(shù)學(xué)模型，并指出了它們各自的優(yōu)缺點。1重復(fù)控制1.1重復(fù)控制思想重復(fù)控制是基于內(nèi)模原理的一種控制方法。所謂內(nèi)模原理，即在一個閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，在其反饋回路中設(shè)置一個內(nèi)部模型，使該內(nèi)部模型能夠很好的描述系統(tǒng)的外部特性，通過該模型的作用可使系統(tǒng)獲得理想的指令跟蹤特性，具有很強的抗干擾能力3-4?；谥貜?fù)控制的算法在逆變器中得到了廣泛的應(yīng)用5-7。其基本思想是假設(shè)前一

5、個基波周期中出現(xiàn)的波形畸變將會在下一個基波周期的同一時間重復(fù)出現(xiàn)，在此假設(shè)條件下，控制器根據(jù)每個開關(guān)周期給定信號與反饋信號的誤差來確定所需的校正信號，然后在下一個基波周期的同一時間將此信號疊加到原控制信號上，以消除以后各基波周期中出現(xiàn)的重復(fù)畸變8。內(nèi)模所起的作用就相當(dāng)于是一個任意信號發(fā)生器，即使是給定的指令信號趨于0時，其依然能夠持續(xù)不斷地輸出控制信號，以維持合適的控制作用。重復(fù)控制能夠很好的抑制波形中出現(xiàn)的周期擾動，但是對于系統(tǒng)中的非周期性擾動作用不大9。然而，由功率器件的死區(qū)以及非線性負(fù)載給逆變器系統(tǒng)帶來的影響都具有周期性，因此利用重復(fù)控制的這個特性能夠很好的解決這些問題，提高逆變系統(tǒng)的性

6、能。 根據(jù)我們所學(xué)的經(jīng)典控制理論，若系統(tǒng)中含有積分環(huán)節(jié)，那么它就能夠無誤差的跟蹤階躍輸入，而且對積分環(huán)節(jié)之前的階躍干擾也有很好的抑制作用。事實上積分環(huán)節(jié)可以看成是系統(tǒng)的內(nèi)模，因閉環(huán)系統(tǒng)中的積分環(huán)節(jié)包含了階躍輸入的模型，從而可以實現(xiàn)精確無誤差地跟蹤階躍輸入信號。如果控制系統(tǒng)內(nèi)模的數(shù)學(xué)模型所描述的是周期性的信號，那么閉環(huán)系統(tǒng)對周期性的擾動具有很好的抑制作用，若給定指令或擾動信號只是單一頻率的正弦信號，系統(tǒng)的內(nèi)膜中只要包含有正弦的數(shù)學(xué)模型： （1-1）就能夠?qū)崿F(xiàn)精確跟蹤指令信號。如果指令信號或擾動信號中還包含其它頻率的信號，這種情況下，若要實現(xiàn)精確無誤差跟蹤，只能通過在內(nèi)膜中加入多個描述特定頻率信號

7、的數(shù)學(xué)模型，若信號所包含的頻率成分較多，所需要的內(nèi)模數(shù)量就很多，這給系統(tǒng)的控制帶來了一定的困難。為此就要尋找一種能夠描述頻率成分較復(fù)雜的信號的內(nèi)模，分析可知，雖然擾動信號的頻率成分復(fù)雜，但都具有重復(fù)性的特點，而且在每個基波周期都以完全相同的波形出現(xiàn)。針對這種復(fù)雜的信號，可選擇式（1-2）作為系統(tǒng)的內(nèi)模： （1-2）T 為給定信號的周期，式（1-2）所描述的是一個周期延遲正反饋環(huán)節(jié)，無論給定信號的形式如何，只要重復(fù)的出現(xiàn)，而且頻率與基波頻率的倍數(shù)，那么該內(nèi)模就會逐周期累加輸入信號。即使在給定信號衰減為0時，系統(tǒng)依然能夠輸出跟前一個周期相同的信號，內(nèi)模所起的作用和積分環(huán)節(jié)相似，區(qū)別僅在于內(nèi)模是以基

8、波周期為單位對給定信號進行累加的，所以這種形式的內(nèi)模能夠?qū)崿F(xiàn)對多種頻率信號的跟蹤。采用這種特殊形式的內(nèi)模的閉環(huán)控制系統(tǒng)被稱為重復(fù)控制系統(tǒng)10。由于上式中的延時環(huán)節(jié)采用模擬器件實現(xiàn)起來比較困難，因而在實際應(yīng)用中都是使用它的離散形式來實現(xiàn)的，如下式（1-3）所示： （1-3）1.2重復(fù)控制器結(jié)構(gòu)內(nèi)?？刂剖侵貜?fù)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它的特點是：能夠輸出穩(wěn)定持續(xù)的控制信號，當(dāng)系統(tǒng)中的內(nèi)模是理想內(nèi)模時，即使外部給定指令為0，內(nèi)模也能夠重復(fù)輸出前一周期的信號。但是理想內(nèi)模存在單位圓上的極點，這使得系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，在實際中這種臨界狀態(tài)不可取，當(dāng)被控對象的參數(shù)發(fā)生變化時就有可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，圖1所示的為

9、重復(fù)信號發(fā)生器基本框圖： 圖1 重復(fù)信號發(fā)生器因為圖1所給出的重復(fù)信號發(fā)生器存在臨界穩(wěn)定狀態(tài)，不利于系統(tǒng)的控制，所以在應(yīng)用中常對內(nèi)模進行改進，如圖2所示： 圖2 改進型重復(fù)信號發(fā)生器 圖2中，Q(z)為一階低通濾波器或者略小于1的常數(shù)。由圖4-2輸入和輸出之間的關(guān)系為： （1-4）若取Q(z)=0.95，則由上式可得： （1-5）將1-5式展開得 （1-6）在圖2改進后的內(nèi)膜上面，加入周期延時環(huán)節(jié)-和補償器C(z)就構(gòu)成重復(fù)控制系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如下圖3所示。 圖3 重復(fù)控制系統(tǒng)框圖圖3中：R為參考輸入信號 Y 為輸出信號 E 為偏差信號 N 為每個基波周期的采樣次數(shù) 為周期延遲環(huán)節(jié)Q(z) 為

10、常數(shù)或一階低通濾波器 C(z)為補償器 P(z)為被控對象 上面圖3 中，系統(tǒng)檢測到參考輸入指令信號R和輸出信號Y 之間的偏差信號，然后內(nèi)模對檢測到的偏差信號逐周期進行積分，把以前的偏差儲存起來，即使檢測到的誤差為 0時，系統(tǒng)仍然能夠不斷輸出控制信號，控制信號經(jīng)過補償器的校正后，得到幅值和相位正確的控制信號，然后在下一個周期把控制信號加到控制對象上，以消除擾動的影響。 2重復(fù) PI 控制 2.1重復(fù)PI控制的思想逆變器作為發(fā)電系統(tǒng)中實現(xiàn)直流到交流變換的關(guān)鍵元件，因其輸出電壓直接并入電網(wǎng)供負(fù)載使用，希望它輸出的電能質(zhì)量越高越好。光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅要具有高精度的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，同時還希望它具有快速的動態(tài)響

11、應(yīng)速度。對系統(tǒng)的動態(tài)要求主要是希望系統(tǒng)能夠快速的跟蹤給定的電壓指令，在其所供的負(fù)載發(fā)生變化時能夠快速的達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。前面已經(jīng)介紹，重復(fù)控制能夠抑制輸出波形的畸變，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。重復(fù)控制抑制畸變的原理是先把前一個周期檢測的誤差儲存起來，然后在下一個基波周期開始時刻把前一周期的信號累加后輸出控制信號對誤差產(chǎn)生校正作用。但是從重復(fù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖中我們可以看到在重復(fù)控制系統(tǒng)的前向通道中包含有一個環(huán)節(jié)，這個周期延遲環(huán)節(jié)使得控制信號延遲一個周期輸出，導(dǎo)致重復(fù)控制在得到誤差信號后并不能立即發(fā)揮作用，而是延遲到下一個周期的某個時刻才產(chǎn)生作用，這樣的話，若控制系統(tǒng)中有擾動存在，在擾動的第一個基波周期

12、時間內(nèi)，系統(tǒng)對擾動并不產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)處于一種開環(huán)狀態(tài)，而且重復(fù)控制對誤差的積分是逐周期進行的，所以重復(fù)控制系統(tǒng)存在動態(tài)性能不佳的缺陷11-12。為了使并網(wǎng)逆變系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，本文采用重復(fù)PI控制策略，在該控制策略中一種控制的主要作用是致力于提高逆變器的動態(tài)特性，另一種控制的主要作用則是提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，抑制重復(fù)性擾動，兩者各司其職，且互為補充，全面提升系統(tǒng)的性能。因為PI控制在對誤差進行調(diào)節(jié)時是以開關(guān)周期為單位進行的，而重復(fù)控制則是以基波周期為單位進行調(diào)節(jié)的，這兩個控制的調(diào)節(jié)速度不同步，重復(fù)控制和PI控制這兩個控制在時間上是相互獨立的。當(dāng)系統(tǒng)運行達到穩(wěn)定時，輸出與給定指

13、令之間的誤差相對比較小，PI控制基本不對系統(tǒng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)的控制主要由重復(fù)控制來完成。當(dāng)系統(tǒng)中所出現(xiàn)的擾動作用比較大時，輸出與給定之間的誤差突增，重復(fù)控制器由于存在一個基波周期的延遲，其輸出不會發(fā)生突變，這就使系統(tǒng)無法快速的跟蹤給定，此時由PI控制器檢測到輸出與給定的誤差突變并立即輸出控制信號對誤差進行控制。2.2 PI電流控制器的設(shè)計PI 調(diào)節(jié)在工程上應(yīng)用非常廣泛，也是我們所熟悉的控制中最成熟的一種調(diào)節(jié)，其簡單直觀，容易數(shù)字化實現(xiàn)，對于逆變器，選擇PI調(diào)節(jié)器對信號誤差進行比例和積分控制是一種簡單有效的方式 。可以用一個慣性環(huán)節(jié)來表示逆變器的傳遞函數(shù)如式4-21表示 。 （2-1）其中：

14、表示逆變器的放大系數(shù) 表示延遲時間常數(shù) S 表示復(fù)頻域因子 其在d 、q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的控制框圖如下所示： 圖4 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的控制框圖圖中，為d軸，q軸的電流指令、為三相電網(wǎng)電壓矢量的d、q分量可以看成系統(tǒng)的擾動輸入、為變換到d軸、q軸并網(wǎng)電流為電流環(huán)的PI控制器為濾波器由上圖可以得到的、的表達式 (2-2) (2-3)式（2-2）和（2-3）可以看出不僅電網(wǎng)電壓的d 、q分量 、的對系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生作用，同時還有來自d 、q軸之間的耦合和擾動對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。為了使系統(tǒng)能夠輸出高質(zhì)量的波形，需要解決這些不利因素的影響，對于d 、q軸間電流的耦合干擾可以通過采用反饋的方法解除它們之間耦合作用。而對于

15、電網(wǎng)電壓帶來的擾動可以通過設(shè)計電壓前饋補償，進一步提高系統(tǒng)的性能。由于d 軸與q軸的并不是完全獨立的，由式（2-2）和（2-3）可知d 軸與q軸之間的相互作用為： (2-4) (2-5)d 軸與 q 軸電流之間的相互作用對三相并網(wǎng)系統(tǒng)整體性能都產(chǎn)生不利的影響，因此需要利用解耦控制來實現(xiàn)d 軸與q軸電流之間真正的解耦，使其相互獨立，如圖5所示。 圖5 d軸與q軸解耦控制框圖加入前饋補償后d 軸和q軸電流的相互影響為： (2-6) (2-7)由式(2-6)和(2-7)可以得出若取,那么耦合就不會對輸出的電流產(chǎn)生影響，也就解除了d 軸和q軸電流之間的耦合。 經(jīng)過解耦后d 軸和q軸的相互影響就完全消失

16、了，就可以單獨地控制d 軸和q 軸的電流，同時把采樣環(huán)節(jié)和反饋環(huán)節(jié)的延遲考慮進去可以寫出 d 軸和 q 軸的電流控制框圖如圖6所示： 圖6 d軸控制框圖表示變換器時延是反饋環(huán)節(jié)和采樣環(huán)節(jié)時延，取反饋環(huán)節(jié)時延表示變換器放大倍數(shù)合并系統(tǒng)的各種延遲環(huán)節(jié)，因為功率開關(guān)管的頻率很高，經(jīng)過處理后可以用下式來描述逆變器和延遲環(huán)節(jié)：則d 軸控制框圖就變成如下簡化圖7所示： 圖7 d軸簡化控制圖由上面的d 軸簡化控制框圖可以求得系統(tǒng)的前向通道傳函為： (2-8)其中；分析可知上式所描述的系統(tǒng)是三階系統(tǒng)，現(xiàn)階段還沒有很好的方法來分析高階系統(tǒng)的性能，要想求出其精確的控制參數(shù)也有一定的困難。為了方便系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計，我

17、們可以對系統(tǒng)進行降階處理，因為它包含有一個位于虛軸左側(cè)的零點，我們可以通過降階處理使系統(tǒng)變成低階系統(tǒng)，然后利用我們所熟悉的理論對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)計。設(shè)計t =R/L，即采用零極點對消的方式對系統(tǒng)降階可以得到：其中 ；要使系統(tǒng)達到二階“最優(yōu)“模型的動態(tài)性能，系統(tǒng)的阻尼須滿足= 0.707，KT =0.5，從而得到： (2-9)進而得到: (2-10) (2-11)把系統(tǒng)的參數(shù)帶入以上兩式就能夠求得PI控制器的參數(shù)。 由圖7可得內(nèi)環(huán)電流控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 (2-12)當(dāng)PWM逆變器的開關(guān)頻率很高時，的值遠(yuǎn)小于1，可以將忽略，此時系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)變?yōu)椋?(2-13)式（2-13）所描述的是一個

18、慣性環(huán)節(jié)，減小電阻R或增大比例系數(shù)pK ，可以提高系統(tǒng)的動態(tài)特性。3 dq控制法光伏逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示: 圖7 光伏變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 在三相靜止坐標(biāo)系中,由基爾霍夫電壓定律得光伏逆變器的數(shù)學(xué)表達式見公式(2-1): (3-1)在圖2-1中,太陽能電池陣列輸出的直流電經(jīng)過光伏逆變器逆變?yōu)榻涣麟娸斚螂娋W(wǎng),母線電容是連接電池側(cè)和交流側(cè)的中間環(huán)節(jié),用于緩沖電池側(cè)或者是交流側(cè)的波動,同時將能量從電池側(cè)輸向電網(wǎng)。當(dāng)光伏組件工作在穩(wěn)定的環(huán)境條件下,其最大功率點電壓是唯一的,如果光伏逆變器實現(xiàn)最大限度的能量轉(zhuǎn)換,就需要母線電壓穩(wěn)定在該最大功率點處,因此保證母線電壓的穩(wěn)定可以減少因功率震蕩產(chǎn)生的能

19、量損耗。母線電壓穩(wěn)定是相對的,是跟隨著直流側(cè)電壓的變化而變化的,如果控制電池側(cè)電壓恒定,那么母線電壓就是恒定值,這是MPPT功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。MPPT就是在當(dāng)前光照強度和環(huán)境溫度下,電池板電壓在某一點處輸出功率可以達到最大值,那么系統(tǒng)控制電池板工作于該電壓狀態(tài)下。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時,母線電壓跟隨最大功率點電壓值而變化,因此母線電壓值的穩(wěn)定是相對的。六個IGBT是功率開關(guān)管。通過控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷,使其逆變的電壓為交流電壓。電網(wǎng)電壓、電流在三相靜止坐標(biāo)系下都是交流量,幅值和方向都在變化,不利于光伏逆變器的控制,因此需要將這些變量轉(zhuǎn)換到二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理遵循轉(zhuǎn)換過程中功率相等或者

20、幅值不變原則。由三相靜止坐標(biāo)系abc向兩相靜止坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系見公式(2-2)所示: (3-2)由兩相靜止坐標(biāo)系向兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq的轉(zhuǎn)換關(guān)系見公式(3-3)所示: (3-3)由abc坐標(biāo)系向dq坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)換見公式(2-4): (3-4) 由dq坐標(biāo)系向abc坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)換見公式(3-5): (3-5）光伏逆變器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的模型由公式(3-1)與(3-4)得: （3-6）式中、是網(wǎng)側(cè)電流在d、q軸上的分量;、是網(wǎng)側(cè)電壓在d、q軸量;、是開關(guān)函數(shù)在d、q軸上的分量,是有功電壓、無功電壓分量。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,規(guī)定d軸與電網(wǎng)電動勢U的方向一致,并且與電網(wǎng)矢量同步旋轉(zhuǎn),這就是電網(wǎng)電壓定向

21、控制。4 比例諧振控制法4.1 比例諧振控制器比例諧振（Proportional Resonant，PR）控制器，理論成熟于20 世紀(jì)90 年代，由于其具有易于實現(xiàn)諧波補償?shù)奶攸c，最先應(yīng)用于有源濾波器及諧波補償控制的設(shè)計當(dāng)中。2004 年以后，開始逐漸被應(yīng)用于單相及三相電流的控制之中。其思想主旨是在控制器傳遞函數(shù)的j軸上加入兩個固定頻率的閉環(huán)極點，形成該頻率下的諧振，從而增大該頻率點的增益（理論上，諧振使得該設(shè)計頻率下的增益趨近于無窮大），實現(xiàn)對該頻率下的正弦指令信號的無差跟蹤，克服了PI 控制器無法無靜差跟蹤正弦信號的不足。如果換一個角度去思考，在三相并網(wǎng)逆變器的電壓矢量定向控制中，是將靜止

22、坐標(biāo)系中的正弦量轉(zhuǎn)化為了dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量，從而使得可以利用PI 控制器完成對直流量的無靜態(tài)誤差的控制，這里坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的條件是，得到同步旋轉(zhuǎn)的角速度。在比例諧振控制中，同樣需要一個諧振頻率，從數(shù)學(xué)本質(zhì)上講是一致的，即得到同步旋轉(zhuǎn)的角速度。比例諧振控制利用諧振控制等效省去了坐標(biāo)系變換的過程，使得這種控制方法可以對特定頻率的正弦指令信號進行無差跟蹤。圖4-1給出當(dāng)采用比例諧振控制跟蹤正弦并網(wǎng)電流指令的控制框圖（該指令可以是單相并網(wǎng)電流指令，也可以是三相靜止坐標(biāo)系中的正弦指令，或者是三相自然坐標(biāo)系中，任意一相的電流指令）。Gd(s) 為逆變器傳遞函數(shù)，Gf(s) 為濾波電感傳遞函數(shù)。 圖8電

23、流環(huán)PR控制框圖采用比例諧振控制的輸出電流如下： （4-1）該表達式可分為兩部分：第一部分，即跟隨電流指令部分，從閉環(huán)伯德圖9中分析可知，在跟蹤正弦指令時，比例諧振控制很好的解決了穩(wěn)態(tài)誤差的問題。 圖9 PR與PI控制器閉環(huán)伯德圖該式的第二部分為電網(wǎng)作用部分，由于該部分的存在，電網(wǎng)會對所控并網(wǎng)電流造成影響，也就是說實際上并網(wǎng)電流的誤差是由控制器跟蹤正弦指令所造成的誤差和電網(wǎng)電壓造成的誤差兩部共同組成的。從電網(wǎng)作用伯德圖10分析中可知，比例諧振控制可以消除特定頻率下電網(wǎng)的作用（該頻率下的衰減趨近于無窮）。圖10 PT、PR控制電壓擾動伯德圖該式第二部分也說明了為什么在單相并網(wǎng)電流控制跟隨正弦指令

24、電流采用比例積分控制器時，必須加入網(wǎng)壓前饋環(huán)節(jié)（用于消除第二部分誤差），而采用比例諧振控制器可以不加入網(wǎng)壓前饋。 綜上所述，PR 控制器利用所加入的諧振環(huán)節(jié)，使得PR 控制器在跟隨正弦電流指令時，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，并且消除網(wǎng)壓基頻對并網(wǎng)電流的影響，從而可以省去網(wǎng)壓前饋環(huán)節(jié)的使用。4.2 靜止坐標(biāo)系比例諧振并網(wǎng)控制比例諧振控制器不僅可以運用于單相并網(wǎng)系統(tǒng)，還可以應(yīng)用于三相系統(tǒng)電流控制當(dāng)中。利用比例諧振控制器能夠在靜止坐標(biāo)系下對交流信號進行無靜差調(diào)節(jié)，無需dq 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，不存在耦合項和前饋補償項，且易于實現(xiàn)低次諧波補償?shù)奶攸c，可以實現(xiàn)對三相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流的良好控制。以三相電壓型PWM 并網(wǎng)

25、變流器為例，電壓與電流采樣點如圖11所示。 圖11 網(wǎng)壓，并網(wǎng)電流采樣點圖12 給出了靜止坐標(biāo)系PR 并網(wǎng)控制框圖，并網(wǎng)控制過程簡述如下： 圖12逆變器并網(wǎng)電流控制框圖 (靜止坐標(biāo)系PR控制)（1）通過外環(huán)控制或是并網(wǎng)功率指令計算得到并網(wǎng)瞬時電流值ia*、ib*、ic*；（2）通過坐標(biāo)系變換，分別將并網(wǎng)瞬時電流指令值ia*、ib*、ic*及并網(wǎng)瞬時電流采樣值ia、ib、ic，由自然坐標(biāo)系變換到靜止坐標(biāo)系*、* 和、。（3）*、* 和、的差值通過比例諧振（PR）控制，使實際的并網(wǎng)電流跟蹤電流指令。（4）在電流控制器輸出端加入不同的網(wǎng)壓前饋環(huán)節(jié)。方式A 為無網(wǎng)壓前饋，方式B 加入瞬時網(wǎng)壓前饋，方式

26、C 為加入正序網(wǎng)壓前饋。（5）將最終輸出量由靜止坐標(biāo)系反變換至自然坐標(biāo)系后，將所得調(diào)制波形輸入PWM 比較寄存器進行脈寬調(diào)制。正如前文所述，靜止坐標(biāo)系控制方法在控制理論上從消除靜態(tài)誤差的角度上講可以不采用網(wǎng)壓前饋環(huán)節(jié)。但是，如果不加入網(wǎng)壓前饋環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)啟動或網(wǎng)壓突變時，其響應(yīng)速度仍然會受到影響。5小結(jié)(1) 基于PID補償器的電流控制。PID 控制方法是現(xiàn)代電子電力系統(tǒng)中應(yīng)用范圍最廣，實際應(yīng)用最多的一種控制理論，它具有容易實現(xiàn)、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點，缺點是 PID 控制器的參數(shù)整定較難。在并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中，并網(wǎng)電流與參考正弦信號進行比較，得到電流誤差信號通過 PID 補償器變換獲得輸出正弦

27、調(diào)制信號，把調(diào)制信號與固定頻率的三角載波信號進行比較，就可得到逆變器的驅(qū)動控制信號，從而實現(xiàn)并網(wǎng)運行13。 因為并網(wǎng)電流的參考信號是正弦信號，PID 補償器無法實現(xiàn)無靜態(tài)誤差跟蹤，因此實際系統(tǒng)中并網(wǎng)電流存在著幅度和相位上的靜態(tài)誤差。利用 PID 補償器可以對直流分量實現(xiàn)無靜態(tài)誤差跟蹤14，將 abc 坐標(biāo)系中的正弦信號的基波分量通過同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，變換到dq直流坐標(biāo)系中就可實現(xiàn)PID補償器無穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。但由于該方法在每個控制周期都必須完成一次 abc 與 dq 坐標(biāo)的變換，加大了控制運算量。并且基波頻率的坐標(biāo)變換也只能抑制基波電流分量的穩(wěn)態(tài)誤差，如果要抑制諧波電流的穩(wěn)態(tài)誤差，必須增加相應(yīng)頻率

28、的坐標(biāo)變換15。 隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和數(shù)字芯片的更新，一些研究人員嘗試將新的控制策略與 PID 控制相結(jié)合實現(xiàn)復(fù)合控制，例如自適應(yīng)的 PID 控制、模糊 PID 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制和智能PID控制等16。這類先進的PID控制方法加強了并網(wǎng)逆變系統(tǒng)對開關(guān)器件死區(qū)的補償，減弱了電網(wǎng)電壓和直流輸入對控制系統(tǒng)的影響，大大提高了逆變系統(tǒng)的綜合控制性能，但控制算法的運算量將大幅提高。 (2)比例諧振電流控制。比例諧振電流控制是在控制系統(tǒng)中加入一個比例諧振環(huán)節(jié)，控制器在諧振頻率處有一個無限大的放大增益，電流穩(wěn)態(tài)誤差通過控制器后就可實現(xiàn)零誤差的穩(wěn)態(tài)跟蹤。傳統(tǒng)的比例諧振器 GPR一般是把基波頻率處的增

29、益設(shè)為無限大，諧波頻率處的增益盡量小。如果要消除特定頻率的諧波，就需要增加對應(yīng)頻率的比例諧振器GPRi。因受模擬元件精度和數(shù)控系統(tǒng)運算精度等因素影響，實際并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的比例諧振補償器的高增益受很大限制。為了降低數(shù)控系統(tǒng)中的運算難度，比例諧振控制器中的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系可以用靜止坐標(biāo)系替換，該方法滿足多數(shù)的單相或三相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的控制需要。準(zhǔn)諧振控制器既能實現(xiàn)高增益又容易在實際系統(tǒng)中實現(xiàn)，目前應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。 (3)重復(fù)電流控制。重復(fù)控制是一種內(nèi)?？刂?，它的控制環(huán)路包含一個有外部輸入信號的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，因此能夠穩(wěn)定的實現(xiàn)指令跟蹤和干擾抑制錯誤！重復(fù)控制通過觀測出重復(fù)性的系統(tǒng)擾動位置，記住每次擾動發(fā)

30、生的位置，通過重復(fù)控制器有針對性地進行校正，使穩(wěn)態(tài)誤差最大限度趨近于零。但理想內(nèi)模的極點一般分布在虛軸，控制系統(tǒng)剛好處于臨界振蕩狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，系統(tǒng)非?？赡茏兊貌环€(wěn)定17。重復(fù)控制對周期性強的擾動校正效果好，但一般校正時間較長；對周期性較弱的擾動校正效果差，且系統(tǒng)的穩(wěn)定性無法保證。所以重復(fù)控制一般不能單獨用于并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)中，需要結(jié)合其他控制策略，才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 參考文獻1黃天富, 石新春, 魏德冰, 孫玉巍, 王丹. (2012). 基于電流無差拍控制的三相光伏并網(wǎng)逆變器的 研究. 電力系統(tǒng)保護與控制, 40(11), 36-41.2丁威. (20

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