隔離型離網(wǎng)逆變器控制策略研究.docx

1、隔離型離網(wǎng)逆變器控制策略研究郝振洋，甘淵，浦程，陳浩蕾（南京航空航天大學(xué)，自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京211106）摘要：隨著智能電網(wǎng)的提出，由分布式電網(wǎng)組成的微網(wǎng)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究。此處針對(duì)離網(wǎng)型逆變器控制策略展開(kāi)了研究。首先建立了電感電流比例控制、電容電壓比例積分（PI）控制的雙環(huán)控制模型。為了降低負(fù)載對(duì)輸出電壓的影響，提出了基于負(fù)載電流前饋的輸出阻抗重構(gòu)控制策略，有效地抑制了負(fù)載效應(yīng)。針對(duì)基于PI的雙環(huán)控制逆變器輸出電壓精度低、帶非線(xiàn)性負(fù)載時(shí)低次諧波含量大的問(wèn)題，提出了基于準(zhǔn)比例諧振（PR）控制器的電壓外環(huán)控制方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)給定信號(hào)的閉環(huán)無(wú)靜差跟蹤，降低了諧波頻率點(diǎn)輸出阻抗，減小了對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)輸

2、出電壓諧波含鼠。最后，設(shè)計(jì)了1.5kW的原理樣機(jī)，并驗(yàn)證了所有設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：逆變器；準(zhǔn)比例諧振；電壓外環(huán)控制中圖分類(lèi)號(hào)：TM464文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào):1000-100X（2019）06-0068-04ResearchonControlStrategyofIsolatedOff-gridInverterHAOZhen-yang,GANYuan,PUCheng,CHENHao-lei(NanjingUniversilyofAeronauticsandAstronautics,Nanjing211106,China)Abstract:Withtheintroductionofsmartgrids

3、,microgridscomposedofdistributedgridshavebeenwidelystudiedbyscholarsathomeandabroad.Theoff-gridinvertercontrolstrategyisstudied.Firstly,adouble-loopcontrolmodelofinductorcurrentproportionalcontrolandcapacitorvoltageproportionalintegral(PI)controlisestablished.Inordertoreducetheinfluenceofloadonoutpu

4、tvoltage,anoutputimpedancereconstructioncontrolstrategybasedonloadcurrentfeedforwardisproposedwhicheffectivelysuppressestheloadeffect.Aimingattheproblemthattheoutputvoltageofthedouble-loopcontrolledinverterbasedonPIislowandthelow-orderharmoniccontentislargewithnonlinearload,avoltageouterloopcontrolm

5、ethodbasedonquasiproportionalresonance(PR)controllerisproposedtorealizethegivensignal.Theclosed-loophasnostaticdifferencetrackingwhichreducestheoutputimpedanceoftheharmonicfrequencypointandreducestheharmoniccontentoftheoutputvoltageofthecorrespondingfrequencypoint.Finally,a1.5kWprototypeisdesignedan

6、dallthedesignsareverified.Keywords:inverter；quasiproportionalresonance；voltageouterloop1引言近年來(lái)，隨著能源枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題的愈演愈烈，人們不得不把關(guān)注的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到清潔、高效的新能源上。太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿刃滦湍茉粗鹨槐惶嵘先粘?。而太?yáng)能，作為新能源中的典型代表更是被各國(guó)學(xué)者作為重點(diǎn)研究對(duì)象。光伏逆變器是光伏微電網(wǎng)中的重要組成部分。傳統(tǒng)控制算法對(duì)負(fù)載電流的控制有滯環(huán)控制（7、PI控制等。電流滯環(huán)控制是基于電流暫態(tài)的控制，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、魯棒性能好等優(yōu)點(diǎn)，但其輸出頻譜范圍寬，濾波難度大。傳統(tǒng)PI控制兇具有

7、原理簡(jiǎn)單、使用方便、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但在對(duì)控制精度和響應(yīng)速度要求很高的系統(tǒng)中，如機(jī)器人伺服系統(tǒng)、航空定稿日期：2018-10-18作者簡(jiǎn)介：郁振洋（1981），男，江蘇南京人，副教授，研完方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)用電力電子變換器及其井網(wǎng)控制技術(shù)。航天系統(tǒng)等，PI控制往往很難滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。針對(duì)工作在離網(wǎng)模式下的逆變器，介紹了一種能實(shí)現(xiàn)對(duì)給定正弦波信號(hào)的零誤差跟蹤控制叫根據(jù)內(nèi)模原理，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤，系統(tǒng)模型需包含交流信號(hào)的頻域模型。交流信號(hào)的頻域模型是一階諧振環(huán)節(jié)，并在諧振環(huán)節(jié)中加入比例調(diào)節(jié)器，以保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這樣就構(gòu)成了PR調(diào)節(jié)器，由PR環(huán)節(jié)的波特圖可以看出，系統(tǒng)在諧振頻率點(diǎn)的增益接

8、近無(wú)窮大，但帶寬很窄，因此系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性很差。為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在PR控制器中加入一階高增益低通濾波環(huán)節(jié)，在保證諧振頻率點(diǎn)處高增益的同時(shí)增加了帶寬，提高了系統(tǒng)的魯棒性。2控制策略研究為滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)定性需求，采用前級(jí)Boost電路、中間級(jí)LLC諧振電路、后級(jí)單相逆變橋的三級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。前級(jí)電路主要完成啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)直流母線(xiàn)的充電及太陽(yáng)能電池板的最大功率追蹤。第二級(jí)為高頻電氣隔離直流變換器，它首先將直流電能變換成高頻交流電能后，再利用高頻隔離變壓器進(jìn)行變壓、匹配和電氣隔離，而后再將高頻交流電能整流成直流電能。第三級(jí)為逆變部分，主要將直流電能逆變成負(fù)載所需的電能。圖1為光伏離網(wǎng)逆變器主電路。叫伸作V

9、崟摩A&弓嶷圖1光伏離網(wǎng)逆變器主電路Fig.1Photovoltaicoff-gridinvertermaincircuit2.1基于負(fù)載電流前饋的輸出阻抗重構(gòu)策略采用電感電流為內(nèi)環(huán)時(shí)，負(fù)載電流位于內(nèi)環(huán)外部，負(fù)載效應(yīng)不能很好地被抑制，輸出特性較軟，尤其是在帶非線(xiàn)性負(fù)我的情況下，輸出電壓波形畸變嚴(yán)重。因此，以電感電流為內(nèi)環(huán)時(shí)，需要將負(fù)載電流引入到內(nèi)環(huán)中。圖2為基于負(fù)載電流前饋的雙環(huán)控制框圖。圖2雙環(huán)控制框圖Fig.2Double-loopcontroldiagram為了簡(jiǎn)化前饋環(huán)節(jié)，設(shè)o(s)=l,此時(shí)即為負(fù)載電流單位前饋。當(dāng)引入負(fù)載電流單位前饋后，逆變器可以等效為電容電流控制。但電容電

10、流的成分很小，且諧波含量很大，不利于采樣。且逆變器并聯(lián)過(guò)程中需要采集輸出電流信號(hào)，為負(fù)載電流前饋提供了硬件實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。Z。戶(hù)Z.(s)/1+Zl(s)匕(s)+G(s)A*4Cu(s)+匕(s)(1)圖3為有無(wú)單位負(fù)載電流前饋輸出阻抗對(duì)比圖，從阻抗圖中可以看出，加入負(fù)載電流單位前饋后,0-100Hz頻段內(nèi)輸出阻抗顯著減小，但在100-500Hz頻段內(nèi)輸出阻抗依然較大，諧波電流會(huì)在輸出阻抗上形成諧波壓降，從而使逆變器輸出電壓諧波含量增加。然而，當(dāng)逆變器帶非線(xiàn)性負(fù)我時(shí)，負(fù)載電流中大量的諧波集中于100-500Hz之間，只加入負(fù)載電流單位前饋不能滿(mǎn)足輸出電壓低次諧波含量要求。對(duì)于單相逆變器帶非線(xiàn)性負(fù)我

11、的情況，會(huì)有大量的諧波存在，但大多數(shù)諧波集中于3,5,7,9等奇次諧波。圖3輸出阻抗對(duì)比圖Fig.3Comparisonofoutputimpedance2.2基于準(zhǔn)PR控制由上述分析可知，當(dāng)采用負(fù)載電流前饋策略時(shí)，對(duì)于逆變器帶非線(xiàn)性負(fù)載情況，會(huì)存在大危奇次諧波，因此需要對(duì)這些頻率點(diǎn)進(jìn)行衰減。根據(jù)內(nèi)模原理，采用諧振控制器來(lái)減小單個(gè)諧振點(diǎn)的輸出阻抗。為了增強(qiáng)諧振環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗干擾能力，組合比例和諧振環(huán)節(jié)構(gòu)成PR控制器，其傳遞函數(shù)為：Gre(s)=Affi+2Ar3/(sW)(2)式中：如.為比例環(huán)節(jié)增益；此為指定諧振點(diǎn)角頻率化為諧振環(huán)節(jié)增益。圖4為PR的波特圖，其中折=l,3o=lOO”ra

12、d-s-*,Ar=5o可見(jiàn)，PR控制器在此處的增益幾乎是無(wú)窮大，可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的閉環(huán)無(wú)靜差跟蹤。但其在諧振點(diǎn)處增益大、帶寬窄、抗擾動(dòng)能力差，很容易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。并且受數(shù)字控制的精度影響,準(zhǔn)確調(diào)節(jié)諧振點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)控制中是很難實(shí)現(xiàn)的。因此經(jīng)常在PR控制器中加入一階高增益低通濾波環(huán)節(jié)，保證了在諧振點(diǎn)高增益的同時(shí)，增加了控制器的帶寬，降低了系統(tǒng)的靈敏度，這就是準(zhǔn)PR控制器，其頻域表達(dá)式如下：G(s)=km+2kfu)cs/(s22u)cs+u)o)(3)式中：處為剪切頻率。asa圖4PR控制波特圖Fig.4PRcontrolBodediagram圖5示出準(zhǔn)PR的波特圖，其中折=1,純=IOOitrad

13、s'A產(chǎn)5,結(jié)=10rads】。當(dāng)逆變器帶非線(xiàn)性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流中含有大量的諧波，理論上控制器需要包含基波和所有諧波的內(nèi)模，但這樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜，現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)逆變器帶非線(xiàn)性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流諧波幅值往往與頻率成反比，因此只需要將低次諧波植入到控制器中即可。該系統(tǒng)將1,3,5,7,9次諧波植入到控制器中，其表達(dá)式如下：圖5準(zhǔn)PR控制波特圖Fig.5QuasiPRcontrolBodediagramGuPR=Aph+£41,3,5,7,96284MISrsz(4)由圖7a可知，外環(huán)的截止頻率為802Hz,相角裕度為51.5。加入諧波諧振環(huán)節(jié)后，開(kāi)環(huán)截止頻率增加，相角裕度降低，

14、但依然能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定。開(kāi)環(huán)波特圖在基波和諧波頻率點(diǎn)均具有較大的增益，能夠很好地跟蹤指定頻率點(diǎn)的信號(hào)。通過(guò)合理地設(shè)計(jì)準(zhǔn)PR控制器的參數(shù)，其基波比例諧振控制器的表達(dá)式如下：6=0.077+2005/s2+20s+(2*rrx50)2(5)圖6為采用式(5)的控制器后，電壓外環(huán)的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)波特圖。由圖6a可知，電壓外環(huán)的截止頻率為708Hz,相角裕度為64。相比于PI控制器外環(huán)，截止頻率相近，雖然相角裕度降低，但仍在穩(wěn)定范圍內(nèi)。由圖6a可知，開(kāi)環(huán)在50Hz處增益為53.3dB,開(kāi)環(huán)基頻增益很大。由圖6b可知,在50Hz處增益接近OdB,說(shuō)明了PR控制器可實(shí)現(xiàn)對(duì)基波信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤。22P言學(xué)rs-

15、¥_.(b)閉環(huán)波特圖CIS-圖6開(kāi)環(huán)和閉環(huán)波特圖1Fig.6Open-loopandclosed-loopBodediagram1圖7為加入諧波諧振器后的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)波特圖c圖7開(kāi)環(huán)和閉環(huán)波特圖2Fig.7Open-loopandclosed-loopBodediagram270圖8不同控制器時(shí)的輸出阻抗對(duì)比Fig.8Outputimpedancecomparisonfordifferentcontrollers3實(shí)驗(yàn)結(jié)果為驗(yàn)證上述理論，設(shè)計(jì)了一款1.5kW的原理樣機(jī)，現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下。逆變器帶非線(xiàn)性負(fù)我時(shí)輸出電壓總諧波畸變率(THD)大，為了能夠直觀地反映諧波準(zhǔn)PR控制器的作用

16、，先加入基波諧振環(huán)節(jié)，然后依次加入諧波諧振環(huán)節(jié)。圖9為加入基波準(zhǔn)PR控制的實(shí)驗(yàn)波形及輸出電壓7770。輸出電壓77/0=2.479%,3,5,7,9次低次諧波含量較大。，/(10ms/格)(a)輸出電壓、電流波形2.479%3579全部諧波次數(shù)(b)輸出電壓的77/D圖9基波準(zhǔn)PR控制實(shí)驗(yàn)波形Fig.9ExperimentalwaveformsofbasicwavequasiPRcontrol依次加入諧波準(zhǔn)PR控制器后，諧波含鼠變化趨勢(shì)如圖10所示?？梢?jiàn)，隨著低次諧波準(zhǔn)PR控制器的加入，總諧波含量逐漸降低。加入指定次諧波準(zhǔn)PR控制器后，對(duì)應(yīng)次諧波含量明顯降低。驗(yàn)證了準(zhǔn)PR控制器對(duì)消除指定諧波的

17、作用。但諧波準(zhǔn)PR控制器的加入會(huì)提高其他次諧波含量,5次準(zhǔn)PR的加入使3次諧波含量增加了0.105%,7次準(zhǔn)PR的加入使5次諧波含量增加了0.075%。圖8為電壓環(huán)控制器為PI和PR時(shí)的輸出阻抗對(duì)比圖?？梢?jiàn)，相比于PI控制器，采用PR控制器時(shí)，在基波和3,5,7,9次諧波頻率處輸出阻抗均有大幅減小，有效抑制了負(fù)載電流低次諧波對(duì)輸出電壓的影響。2Igm1stlst+3rdlst+3rd+5thI"lst+3rd+5th+7ihlsi+3rd+5th*7th+9tl579謝波次數(shù)全«：圖10諧波趨勢(shì)Fig.10Harmonictrend加入3,5,7,9次諧波后輸出實(shí)驗(yàn)波形及電

18、壓THD如圖11所示。此時(shí)輸出電壓77/D己降至1.731%,低次諧波含量也都有相應(yīng)的減小。垣A003M<©-53與22.I.蕓二訂諧波次數(shù)(b)輸出電壓的77/D圖11諧波準(zhǔn)PR控制實(shí)驗(yàn)波形Fig.11ExperimentalwaveformswithharmonicquasiPRcontrol圖12為基于準(zhǔn)PR控制的逆變器突加、突卸負(fù)我輸出電壓、電流實(shí)驗(yàn)波形。z/(20ms/格)(a)突加負(fù)(20ms/格)(b)突卻負(fù)栽(堅(jiān)A00XM*?0-5圖12突加突卸負(fù)裁波形Fig.12Waveformsofsuddenlyloadedandsuddenlyuninstalled(上

19、接第34頁(yè))用，利用其輸出電流幅值、相位均可調(diào)的性質(zhì)，設(shè)計(jì)合理的控制策略實(shí)現(xiàn)零序環(huán)流抑制功能，同時(shí)在電網(wǎng)無(wú)功需求較大時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償功能，使SVG的功能達(dá)到最大化利用。最后，RTDS實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。參考文獻(xiàn)徐琳，劉靜波，甄威，等.基于半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的風(fēng)電低電壓穿越研究J.電力電子技術(shù)，2017,51(2)：26-28.1 付文秀，范春菊.SVG在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電壓無(wú)功控制中的應(yīng)用J.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2015,43(3)：61-68.2 陳宏志，王旭，劉建昌，等.并聯(lián)PWM整流器系統(tǒng)的零序環(huán)流抑制方法J.東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010,31(12):1677-1681.當(dāng)

20、突加50%負(fù)載時(shí)，輸出電壓有10V左右跌落，經(jīng)過(guò)約0.8ms恢復(fù)。當(dāng)突減50%負(fù)我時(shí)，輸出電壓也有10V左右增加，經(jīng)過(guò)約0.6ms即恢復(fù)正常運(yùn)行。相比于PI-P雙環(huán)控制，基于準(zhǔn)PR控制的逆變器動(dòng)態(tài)過(guò)程波動(dòng)相似，但動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間略長(zhǎng)。4結(jié)論介紹了一種隔離型離網(wǎng)逆變器，并采用前級(jí)Boost電路、中間級(jí)LLC諧振電路、后級(jí)逆變電路三級(jí)式拓?fù)?。其中，LLC諧振電路主要是為了實(shí)現(xiàn)高頻隔離，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率略低于諧振頻率時(shí)，逆變器可在滿(mǎn)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)初級(jí)開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)關(guān)，降低了開(kāi)關(guān)管的損耗。對(duì)于離網(wǎng)型逆變器，此處采用比例諧振控制器來(lái)降低單個(gè)諧振點(diǎn)的輸出阻抗，從而減小輸出電壓的總諧波畸變率。參考文獻(xiàn)趙為，余世杰，沈玉梁，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法J.電工技術(shù),2002,14(3):12-13.1 洪峰，單任仲，王慧貞，等.一種變環(huán)寬準(zhǔn)恒頻電流滯環(huán)控制方法J.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009,24(1)：115-119.2 洪峰，劉軍，嚴(yán)仰光.滯環(huán)電流控制型雙Buck逆變器J.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2004,19(8):73-77.3 唐欣，羅安，涂春鳴.基于遞推積分PI的混合型有源電力濾