并网逆变器的电流控制方法
陈敬德，1140319060；杨凯，1140319070；指导老师：王志新
（上海交通大学电气工程系，上海，200240）
摘要：并网逆变器是光伏发电系统的一个核心部件，其控制技术一直是研究的热点。其使用的功率器件属于电力电子设备，它们固有特性会对系统产生不利的影响，为了防止逆变器中的功率开关器件处于直通状态，通常要在控制开关管的驱动信号中加入死区，这给逆变器输出电压带来了谐波，对电网的电能产生污染。本文对传统的控制方法重复控制、传统的PI控制、dq轴旋转坐标控制、比例谐振控制进行了总结分析，并比较了它们的优缺点。
关键词：并网逆变器，重复控制，传统的PI控制，dq轴旋转坐标控制，比例谐振控制
0引言
随着现代工业的迅速发展，近年来全
球范围内包括煤、石油、天然气等能源日益紧缺，全球将再一次面临能源危机，同时，这些燃料能源的应用对我们所生活的周围环境产生了严重的影响。环境问题受到了人们的广泛关注，为了解决能源紧缺以及环境污染问题，寻找可再生能源是解决这一问题的有效方式。太阳能因其清洁，无污染的优势受到了人们的青睐，太阳能光伏发电是目前充分利用太阳能资源的主要方式之一。太阳能发电主要有单独运行和并网运行两种模式，其中并网运行发展速度越来越快，应用的规模也愈来愈大。逆变器是光伏发电系统中的关键部件，逆变器的工作原理是通过 IGBT、GTO、GTR等功率开关管的导通和关断，把直流蓄电池电能、太阳能电池能量等变换为电能质量较高的交流电能，可以把它看成是一种电能转换设备。功率开关管的开关频率一般都比较高，因此利用它们进行电能转换的效率也比较高，但有一个很大的缺点是由它们组成的逆变系统的输出电能却不理想，其输出的波形中包含了很多对电能质量产生不利的方波，而很多场合都要
[1]
求其输出的是一定幅值和频率的正弦波，所以要寻找更好的控制策略来提高逆变器的电能质量，让其输出各项性能指标都满足要求的波形。目前所用的逆变器可以分为以下两类：一类是恒压恒频逆变器，这类逆变器在各种电源持续供电的领域应用广泛，它能够输出电压幅值和频率都是特定值的交流正弦波，简称 CVCF 逆变器。第二类是变压变频逆变器，这种逆变器主要用在电动机的调速系统中，它能够输出特定的幅值电压和频率，简称 VVVF 逆变器[2]。
本文将对并网逆变器的几种常见控制方法进行总结，如传统的PI控制、基于dq旋转坐标系的控制、重复控制及比例谐振控制。给出了框图和数学模型，并指出了它们各自的优缺点。
1重复控制
1.1重复控制思想
重复控制是基于内模原理的一种控制方法。所谓内模原理，即在一个闭环调节系统中，在其反馈回路中设置一个内部模型，使该内部模型能够很好的描述系统的外部特性，通过该模型的作用可使系统获得理想的指令跟踪特性，具有很强的抗干扰能力
[3-4]
。基于重复控制的算法在逆变器中得到了广泛的应用[5-7]。其基本思想是假设前一个基波周期中出现的波形畸变将会在下一个基波周期的同一时间重复出现，在此假设条件下，控制器根据每个开关周期给定信号与反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上，以消除以后各基波周期中出现的重复畸变[8]。内模所起的作用就相当于是一个任意信号发生器，即使是给定的指令信号趋于0时，其依然能够持续不断地输出控制信号，以维持合适的控制作用。重复控制能够很好的抑制波形中出现的周期扰动，但是对于系统中的非周期性扰动作用不大[9]
。然而，由功率器件的死区以及非线性负载给逆变器系统带来的影响都具有周期性，因此利用重复控制的这个特性能够很好的解决这些问题，提高逆变系统的性能。
根据我们所学的经典控制理论，若系统中含有积分环节，那么它就能够无误差的跟踪阶跃输入，而且对积分环节之前的阶跃干扰也有很好的抑制作用。事实上积分环节可以看成是系统的内模，因闭环系统中的积分环节包含了阶跃输入的模型，从而可以实现精确无误差地跟踪阶跃输入信号。
如果控制系统内模的数学模型所描述的是周期性的信号，那么闭环系统对周期性的扰动具有很好的抑制作用，若给定指令或扰动信号只是单一频率的正弦信号，系统的
内膜中只要包含有正弦的数学模型： G(S)??
S2??2 （1-1）
就能够实现精确跟踪指令信号。如果指令信号或扰动信号中还包含其它频率的信号，这种情况下，若要实现精确无误差跟踪，
只能通过在内膜中加入多个描述特定频率信号的数学模型，若信号所包含的频率成分较多，所需要的内模数量就很多，这给系统的控制带来了一定的困难。为此就要寻找一种能够描述频率成分较复杂的信号的内模，分析可知，虽然扰动信号的频率成分复杂，但都具有重复性的特点，而且在每个基波周期都以完全相同的波形出现。针对这种复杂
的信号，可选择式（1-2）作为系统的内模： (S)?e?TsG
1?e?Ts （1-2） T 为给定信号的周期，式（1-2）所描述的是一个周期延迟正反馈环节，无论给定信号的形式如何，只要重复的出现，而且频率与基波频率的倍数，那么该内模就会逐周期累加输入信号。即使在给定信号衰减为0时，系统依然能够输出跟前一个周期相同的信号，内模所起的作用和积分环节相似，区别仅在于内模是以基波周期为单位对给定信号进行累加的，所以这种形式的内模能够实现对多种频率信号的跟踪。采用这种特殊形式的内模的闭环控制系统被称为重复控制系统[10]。由于上式中的延时环节采用模拟器件实现起来比较困难，因而在实际应用中都是使用它的离散形式来实现的，如下式（1-3）所示： G(S)?z?N 1?z?N （1-3）
1.2重复控制器结构
内模控制是重复控制系统的关键部分，它的特点是：能够输出稳定持续的控制信号，当系统中的内模是理想内模时，即使外部给定指令为0，内模也能够重复输出前一周期的信号。但是理想内模存在单位圆上的
极点，这使得系统处于临界稳定状态，在实际中这种临界状态不可取，当被控对象的参数发生变化时就有可能导致系统不稳定，图1所示的为重复信号发生器基本框图：
小于1的常数。
由图4-2输入和输出之间的关系为：
UO(z)1??NU(z)1?Q(z)zi
（1-4） 若取Q(z)=0.95，则由上式可得：
Ui+U0+
图1 重复信号发生器 因为图1所给出的重复信号发生器存在临界稳定状态，不利于系统的控制，
所以在应用中常对内模进行改进，如图2所示：
UO(z)1??NU(z)1?0.95zi
（1-5）
将1-5式展开得
Uo(k)?0.9U5k?(N?)U(koi
（1-6） 在图2改进后的内膜上面，加入周期延
Ui+U0+
时环节z?NC(z)就构成重复控
制系统，其基本结构如下图3所示。
图2 改进型重复信号发生器
图2中，Q(z)为一阶低通滤波器或者略
R+-++C(z)P(z)Y
图3 重复控制系统框图 图3中：
R为参考输入信号 Y 为输出信号 E 为偏差信号
N 为每个基波周期的采样次数
上面图3 中，系统检测到参考输入指令信号R和输出信号Y 之间的偏差信号，然后内模对检测到的偏差信号逐周期进行积分，把以前的偏差储存起来，即使检测到的误差为 0时，系统仍然能够不断输出控制信号，控制信号经过补偿器的校正后，得到幅值和相位正确的控制信号，然后在下一个周期把控制信号加到控制对象上，以消除扰动的影响。
z?N为周期延迟环节
Q(z) 为常数或一阶低通滤波器 C(z)为补偿器 P(z)为被控对象