基于重复控制和电压前馈控制的光伏并网发电系统研究与设计

    摘要：提出了一种基于重复控制和电网电压前馈控制相结合的光伏并网发电系统。重复控制可以抑制周期性的负载扰动，改善稳态情况下的并网电流波形；同时，采用电网电压的前馈控制来抵消电网的影响，使系统近似成为一个简单的无源跟随系统。实验结果表明，控制策略简单有效，系统的并网电流波形较好。

    关键词：并网；重复控制；前馈控制

引言

近年来，随着能源消耗的大规模增加，可再生能源受到了广泛重视，各种并网发电装置的应用逐渐增多。然而，随着投入使用的并网逆变装置增多，其输出的并网电流谐波对电网的污染也不容忽视，根据相关标准[1]，并网逆变器输出的电流波形总谐波畸变率应该<5％，各次谐波畸变率应<3％。基于此，本系统采用了电网电压的前馈控制来抵消电网的影响，使系统近似成为一个无源跟随系统；同时，采用并网电流的重复控制技术[2][3]以抑制周期性的负载扰动，改善稳态情况下的并网电流波形。而对于电压型逆变器来说，改善动态特性的最好方法应该是采用电流控制策略，同时，由于并网逆变器的负载为容量近似无穷大的电网，电压波形基本上是50Hz的正弦波，因此，本系统采用直接电流控制方式[4]，使并网输出电流直接跟踪给定并网电流的离散正弦值，实现并网电流的正弦化，且为单位功率因数。

1 主电路构成

1．1 主电路结构

图1为系统的主电路及控制结构图。由图1可知，系统的主电路结构为单相全桥结构，功率器件采用智能功率模块IPM75RSA060，功率输出端利用标准工频升压变压器隔离和升压。由控制目标可知系统为输出电流受控的电压型有源逆变器，逆变器的输出侧呈现受控电流源特性。系统的控制部分采用TI公司生产的高速DSP芯片TMS320LF2407A作为控制核心，外扩直流电压、直流电流、电网电压和并网电流等检测电路，通过实时检测电网电压和并网电流等参量，由软件完成并网电流的锁相同步功能。系统采用单极性SPWM控制方式，单相全桥结构的两个桥臂分别输出相位差互为180°的高频SPWM波，经过电感滤波后，去除高频载波信号，向电网馈入高质量的正弦电流波形。由图1可知，光伏阵列接收的能量先经过全桥逆变和电感滤波，再由升压变压器隔离、升压后以受控电流源的方式并入电网，整个系统和电网隔离，运行安全可靠。

图1 主电路及控制结构

1．2 系统逆变环节的数学模型

图1中取流经滤波电感L的电流iL为状态变量，则由图1可得并网逆变器的功率输出侧电压方程

式中：Uab为未经滤波的逆变器输出SPWM波；

n为升压变压器的变比；

r为滤波电感、变压器和线路的等效电阻。

由式（1）经过拉氏变换，可解出

当逆变器的开关频率较高时，忽略开关器件和死区的影响，则SPWM控制方式下的桥式逆变器可近似为一个等效的放大系数为K的放大环节，即

G（s）=Kpwm    （3）

由式（2）及式（3）可得到系统的并网电流闭环结构图，如图2所示。

图2 电流闭环结构图

1．3 逆变输出侧电压矢量图

由式（1）可得功率输出侧的电压矢量图，如图3所示。

（a）r=0 (b)r≠0

图3 电压矢量图

2 系统的控制方式

为了使逆变器输出良好的并网电流波形，必须对逆变器的输出并网电流进行闭环控制。死区、逆变器内部的不对称因素、直流侧电压和电网等扰动的存在都会使得逆变器输出的并网电流波形畸变，当采用传统的PI控制来跟踪正弦给定信号时，存在如下一些局限性：

1）当跟踪信号为快速变化的正弦波时，从理论上来说，整个系统是个有差系统，不可能做到无静差跟踪；

2）虽然可以通过增大比例系数来减小稳态误差，但是，比例系数增大会导致控制精度降低，甚至会使系统产生振荡；另外，增大比例系数还可能会同时放大噪声信号，因此，比例系数不可能取得太大。

由此可知，传统的PI控制在本系统中并不能实现系统的无静差跟踪，而近年来提出的基于内模原理的重复控制不仅可以实现系统的无静差跟踪，而且能够抑制负载的周期性扰动，有效降低并网电流波形的THD。

2.1 重复控制

20世纪80年代，Inoue等人根据内模原理的思想提出了重复控制理论。它是利用内模原理，在稳定的闭环系统内设置一个可以产生与参考输入同周期的内部模型，从而使系统实现对外部周期性参考信号的渐近跟踪。包含这一模型的控制器被称为重复控制器，具有这种控制器的系统被称为重复控制系统，如图4所示。

图4 重复控制框图

图4中虚线框内为重复控制器，由周期延迟正反馈环节和补偿器S(z)组成。P(z)为控制对象的传递函数，d为扰动信号，N为每周期采样次数，S(z)为重复控制器的一个补偿环节，目的是改造控制对象，使系统在中低频段为单位增益，增加系统的稳定裕度[5]。本实验中，开关频率为10kHz，输出并网电流的频率为50Hz，故N为200。当误差e每周期出现时，重复控制器的输出逐周期累加，当e=0时，重复控制器的输出并不消失，只是停止变化，维持上次的波形，并且逐周期地输出此波形。在一般的重复控制系统中，为了得到较好的动态性能，通常把重复控制器嵌入到常规的控制环内。

由图4可知，系统内模部分的脉冲传递函数为

对于理想的重复控制系统来说，跟踪参考信号的频率范围应该为无穷大，而实际应用中，跟踪任意高的频率信号是不可能的，因此，Q(z)应具有低通特性，以对周期性干扰产生良好的抑制作用。Q(z)与系统的收敛速度和收敛程度密切相关，若Q(z)=1，则系统在稳态时将彻底抑制周期性干扰；但考虑到稳定性，则Q(z)=1时系统的稳定性和鲁棒性较差。故在实际设计时，Q(z)可取为比1稍小的数。本实验中，Q(z)取为0.95。

2.2 电网电压的前馈控制

重复控制能够对周期性的正弦给定信号实现无静差跟踪，而且输出波形畸变率小，但由于对误差的跟踪控制滞后一个给定信号周期，因而动态性能较差，尤其对于负载等的瞬时扰动信号，重复控制近似于开环控制，此时系统的输出波形畸变较严重，因此，为了及时抑制电网等的瞬时扰动，本系统采用了电网前馈控制策略，以抵消电网的影响，使系统近似成为一个无源跟随系统，从而简化了系统的控制结构，改善了系统的控制效果。在直流侧电压一定时，电网电压前馈环节的增益应为系统逆变桥路增益的倒数，即1/Kpwm，从而实现电网电压的精确对消，使系统更加接近于一个无源跟随系统。前馈控制框图如图5所示。

图5 前馈控制框图

3 系统控制框图

系统控制框图如图6所示，包括两个控制环，外环为直流电压环，内环为并网电流环；外环的给定电压值是光伏阵列的最大功率跟踪[6]（MPPT）模块输出值，反馈值为光伏阵列电压值，对误差进行PI调节后，外环输出iref作为并网电流内环的电流幅值给定；iref乘以离散的正弦值后作为电流内环的离散值给定，电流内环采用重复控制，其等效传递函数为Gc(s)，重复控制器逐基波周期地累加给定电流和反馈电流的偏差e，并输出相应的控制量以改善输出电流波形，此处的重复控制器相当于直流电路中的积分调节器作用；同时，由图6可知，电网电压前馈环节的传递函数为

图6 系统控制框图

即采用电网电压的前馈控制后，电网的影响被完全抵消，系统基本上成为一个无源跟随系统；也就是说，在并网电流给定值为零的情况下，通过前馈控制计算出一个和电网电压相对应的占空比，用来抵消电网电压的影响，使系统近似成为一个无源跟随系统。


4 实验结果

根据以上分析，本文进行了具有MPPT功能的光伏并网逆变器的实验研究，实验参数如下：开关频率为10kHz，滤波电感0.6mH，变压器变比为230/180，控制芯片采用TI公司生产的高速信号处理器TMS320LF2407A，控制方式采用重复控制和电网电压前馈控制。其实验波形如图7所示，CH1为并网电流波形，CH2为电网电压波形。由实验结果可以看出，采用上述控制策略时，并网电流波形较好，完全能够满足THD的要求。