太陽能逆變器的pr控制原理

太陽能逆變器的pr控制原理

1電壓源型變壓器的選擇近年來，可支配能力轉(zhuǎn)化的應(yīng)用廣泛，尤其是用于發(fā)電、水電和太陽能能源的能源利用。使用在這些場(chǎng)合的電源轉(zhuǎn)換裝置大都包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的電壓源型逆變器,并且這個(gè)逆變器使用函數(shù)變換使得能量能夠饋送到電力網(wǎng)絡(luò)中。而逆變器通常是采用脈寬控制的方式使開關(guān)器件工作在高速開關(guān)頻率的狀態(tài)下,而且不論電流型控制的逆變器還是電壓型控制的逆變器都會(huì)選擇一種線性的或者非線性的算法。采用怎么樣的方式來實(shí)現(xiàn)電源的轉(zhuǎn)換,通常是根據(jù)價(jià)格、穩(wěn)定性、諧波比率等因素,然后權(quán)衡這些因數(shù)來決定代表性的電源轉(zhuǎn)換方式。2并網(wǎng)電氣系統(tǒng)控制算法如圖1所示,系統(tǒng)直流側(cè)電壓Vdc可由太陽能光伏陣列電路獲得。逆變橋輸出經(jīng)過電感L連接到電網(wǎng)上。電感用于濾除由于開關(guān)動(dòng)作引起的高次諧波電流,使并網(wǎng)輸出電流是與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦波。系統(tǒng)控制算法由DSP實(shí)現(xiàn)。并網(wǎng)時(shí),當(dāng)DSP檢測(cè)到電網(wǎng)電壓正向過零點(diǎn)時(shí),啟動(dòng)DSP內(nèi)部并網(wǎng)控制算法程序,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率的鎖相跟蹤,并經(jīng)過運(yùn)算,產(chǎn)生逆變器并網(wǎng)運(yùn)行所需要的SPWM邏輯控制信號(hào),經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器開關(guān)的控制,使逆變器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行。2.1i#acH橋PWM并網(wǎng)逆變器是具有電流控制特性的電壓型逆變器。通過對(duì)交流并網(wǎng)側(cè)電感電流的控制來實(shí)現(xiàn)電能的單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)太陽能電池的最大光電轉(zhuǎn)換效率,控制系統(tǒng)需要一個(gè)MPPT算法來得到期望的Ipv。單級(jí)太陽能逆變器需要一個(gè)大電容Cdc來緩解太陽能電池的電流和電壓波動(dòng),但Cdc也降低了通過逆變器電流來調(diào)節(jié)太陽能電池功率的速度。為了提高M(jìn)PPT的調(diào)節(jié)速度,必須提供適當(dāng)?shù)哪孀兤麟娏髦髁領(lǐng)*ac,以使太陽能電池可以快速達(dá)到其期望的輸出功率。I*ac與期望的太陽能電池電流Ipv、濾波電容電壓Vdc等因數(shù)相關(guān)。在單位功率因數(shù)條件下,根據(jù)并網(wǎng)逆變器交、直流側(cè)功率平衡原理,忽略損耗有式中,Iac和E分別為交流電網(wǎng)電流和電壓的有效值。則并網(wǎng)逆變器交流電流到直流電流的穩(wěn)態(tài)變化關(guān)系為對(duì)上式進(jìn)行離散化得到所以,通過對(duì)直流母線中的電容電壓Vdc的測(cè)量和太陽能板期望電流值IPV計(jì)算,可以得到電流控制指令I(lǐng)*ac(k),從而較好地提高能量的轉(zhuǎn)換效率,最大地充分地利用太陽能。3電流比例積分控制電流內(nèi)環(huán)可以采用的控制器有多種類型。經(jīng)典的電流滯環(huán)控制,方法簡單但是IGBT的開關(guān)頻率不確定,容易導(dǎo)致不必要的高頻控制。電流比例積分(PI)控制,具有算法簡單和可靠性高的特點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制,但常規(guī)的PI控制對(duì)正弦的參考電流卻難以達(dá)到理想的控制效果。若要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的無靜差跟蹤,可以嘗試引入新的控制環(huán)節(jié)———電流比例諧振(PR)控制。3.1傳統(tǒng)比例-振幅控制器電流比例積分(PI)控制針對(duì)直流給定信號(hào)而言,它可以因穩(wěn)態(tài)增益無窮大而達(dá)到無靜差控制,但是對(duì)交流給定,它的增益并不能達(dá)到無窮大,因而從本質(zhì)上無法實(shí)現(xiàn)無靜差。為使控制器在正弦給定下實(shí)現(xiàn)無靜差控制,需要引入一個(gè)在該正弦頻率下能夠產(chǎn)生足夠大增益的環(huán)節(jié),諧振控制器就是一個(gè)比較理想的控制環(huán)節(jié),諧振控制器的傳遞函數(shù)表示為(5)式為理想諧振控制器,GR*在交流頻率w0上具有無限增益,偏離w0則增益迅速衰減。(6)式可以代替(5)式來構(gòu)成非理想的諧振控制器。這樣,系統(tǒng)的增益是有限的,但仍然相對(duì)較高地執(zhí)行出小的穩(wěn)態(tài)誤差。另外,(6)式的特點(diǎn)與(5)式不同,它的帶寬可以通過改變wc變得更寬,這樣有助于減少在一個(gè)典型的公用電網(wǎng)頻率略有變化的敏感性。圖2所示為(6)式在Ki=100、wc=2π、w0=100π時(shí)的波特圖。控制器的輸出信號(hào)提供給PWM發(fā)生器,從而控制逆變器向電網(wǎng)輸出電流,電路結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。在忽略電源電壓us和濾波電感中的等效電阻的情況下,從控制信號(hào)到輸出電流的傳遞函數(shù)G(s)如(7)式所示。其中Ts為逆變器延遲U時(shí)?(間s),若(T開?s?關(guān)1)頻Ls率為fs,則Tá-2?1fá。由電流環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)GR*(s)G(s)可知,由于截止頻率遠(yuǎn)大于w0,在1/Ts大于截止頻率時(shí)相位穩(wěn)定裕量趨于0,單位階躍響應(yīng)有較大的超調(diào)量和較多的振蕩次數(shù)。若1/Ts小于截止頻率時(shí)系統(tǒng)將不穩(wěn)定。而采用數(shù)字式控制器方案時(shí),系統(tǒng)響應(yīng)相當(dāng)于由各個(gè)控制周期的階躍響應(yīng)合成的,因此僅有諧振控制器時(shí)必然會(huì)引起輸出電流有較大的紋波以及較長的響應(yīng)時(shí)間,甚至不穩(wěn)定。與PI控制器相似,增加一個(gè)比例控制器(比例系數(shù)為Kp)即可解決上述問題,由此便形成了比例-諧振(PR)控制器,其傳遞函數(shù)如(8)式所示不同參數(shù)情況下PR控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖如圖4所示,系統(tǒng)中wc和w0分別為2π和100π,曲線1、2、3分別對(duì)應(yīng)Kp=0和Ki=1、Kp=0.1和Ki=1、Kp=0.1和Ki=100。由圖4可見,增加了比例控制器后,相位穩(wěn)定裕量和截止頻率明顯增加,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性都得到改善,但PR控制器品質(zhì)因數(shù)下降,從而使選頻性能降低;在比例系數(shù)不變的情況下,諧振系數(shù)Ki增大則選頻性能增加,但相位穩(wěn)定裕量減小,從而穩(wěn)定性降低。交流電源us可看成是一種擾動(dòng),整定參數(shù)時(shí)不予考慮。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)通過在PR控制信號(hào)上疊加一個(gè)隨us變化的補(bǔ)償信號(hào)(us/Ud)即可。4濾波器的頻率和頻率結(jié)合PR控制器的特點(diǎn)以及逆變器的開關(guān)特性,PR參數(shù)整定應(yīng)有以下幾條原則:(1)諧振控制器具有工頻選頻能力,品質(zhì)因數(shù)盡可能大,以減小穩(wěn)態(tài)誤差;(2)控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的截止頻率小于開關(guān)頻率的1/5,以減少開關(guān)紋波;(3)相位穩(wěn)定裕量盡可能大,以減小輸出電流在每個(gè)控制周期內(nèi)的超調(diào)量和振蕩次數(shù)。由于逆變器輸出電流的基波頻率是50Hz,若開關(guān)頻率為20KHz,則控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的截止頻率wg應(yīng)小于25000rad/s。諧振控制器帶寬較窄,wg附近可忽略其增益,若Ts大于wg,則有在不明顯改變截止頻率和K?相-位wU*á穩(wěn)?L定裕量的情況下盡可(9能增大諧振系數(shù)Ki,使PR控制器有較好的選頻特性。wc決定了PR控制器的帶寬,由于逆變器交流側(cè)是頻率略有變化的50Hz交流電源,因而PR控制器的帶寬不能取得太窄并且wc過小會(huì)使控制器對(duì)頻率變化過于敏感,從而導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)緩慢和難以在DSP上計(jì)算實(shí)現(xiàn)。然而,帶寬過大,噪音信號(hào)就會(huì)摻雜進(jìn)來,使得電流波形變粗。wc一般取5-15rad/s較好。以一個(gè)具有如下參數(shù)的逆變器為例:L=3mH、Ud=350V、fs=20KHz、電源電壓幅值和頻率分別為311V和50Hz、電流給定的峰值為20A。取截止頻率wg為12500rad/s,則Kp=0.1。Ki增大到10時(shí),相位穩(wěn)定裕量和wg可基本維持不變。PR參數(shù)為Kp=0.1、Ki=10、wc=2π、w0=100π時(shí),用MATLAB仿真的逆變器輸出電流波形如圖5所示,仿真采用1us的定步長,調(diào)節(jié)器控制周期為50us。從仿真結(jié)果看,逆變器輸出電流的相位和幅度都能夠較理想地跟隨電流給定波形,THD可達(dá)1.8%。從實(shí)際示波器中的結(jié)果看,在輸出電流為11.2A,電源電壓為220V的情況下,輸出