0 引言

    近年來(lái)，隨著化石燃料儲(chǔ)量日趨緊張，能源和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，新能源得到快速的發(fā)展，并網(wǎng)逆變器作為新能源技術(shù)的核心部分，其并網(wǎng)電流控制策略層出不窮^[1-3]。

    目前被大家廣泛研究和采用的電流控制策略有：滯環(huán)控制、滑?？刂?、比例諧振（PR）控制、無(wú)差拍控制和比例積分（PI）控制。滯環(huán)控制方式將降低控制系統(tǒng)的精度，還會(huì)增加系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，加劇系統(tǒng)震蕩^[4]；滑?？刂频耐怀鰞?yōu)點(diǎn)是對(duì)外部干擾和內(nèi)部參數(shù)不敏感，魯棒性強(qiáng)，但理想的滑模面在實(shí)際的逆變系統(tǒng)中很難實(shí)現(xiàn)，而且其對(duì)采樣頻率有非常高的要求^[5]；比例諧振控制可以對(duì)某一特定頻率進(jìn)行無(wú)差跟蹤，達(dá)到對(duì)其進(jìn)行無(wú)靜差控制的目的，但是比例諧振控制需離散化處理，因此需要高精度的控制器^[6]；無(wú)差拍控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快，理想狀況下可跟蹤給定信號(hào)，波形畸變率低，但其對(duì)數(shù)學(xué)建模精度要求非常高，且系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力低^[7]；PI控制原理簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，目前在工程應(yīng)用中運(yùn)用最多，PI控制能對(duì)階躍信號(hào)進(jìn)行無(wú)靜差跟蹤。但是PI控制不能對(duì)諧波抑制起到很好的效果^[8]。眾所周知，微網(wǎng)的諧波會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的危害，因此針對(duì)微網(wǎng)諧波的控制方法也層出不窮。文獻(xiàn)[9]提出基于重復(fù)PI控制的逆變器控制策略以抑制輸出電流的周期性擾動(dòng)；文獻(xiàn)[10]提出基于虛擬磁鏈的矢量控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的抑制；文獻(xiàn)[11]采用基于正負(fù)零序分量分解的逆變器控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)正序、負(fù)序和零序分量的獨(dú)立控制；雖然上述方法對(duì)諧波有一定的抑制效果，但是其動(dòng)態(tài)效果差，算法復(fù)雜，極大地限制了其應(yīng)用場(chǎng)合。在PI控制的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[12]利用在復(fù)數(shù)階上改進(jìn)的PI控制，能對(duì)諧波抑制起到很好的作用，并使其交流穩(wěn)態(tài)誤差為零，但這種方法運(yùn)用在單相逆變并網(wǎng)的時(shí)候需要構(gòu)建復(fù)雜的坐標(biāo)系。本文采用一種基于數(shù)字全通濾波器的PCI控制，有效地避免了繁瑣的坐標(biāo)系構(gòu)建，并驗(yàn)證了其運(yùn)用在單相逆變器并網(wǎng)時(shí)的優(yōu)越性。

1 系統(tǒng)建模

    圖1為L(zhǎng)CL型單相并網(wǎng)逆變器的主電路拓?fù)?。本文采用目前運(yùn)用較多的LCL濾波器，相比于L型濾波器，在達(dá)到相同的高頻諧波抑制效果時(shí)，LCL型濾波器所需的總電感量比L型和LC型濾波器小得多。圖中的直流電壓U_d可以通過(guò)光伏電池、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池、儲(chǔ)能等分布式電源得到。因此，文中所提到的單相并網(wǎng)逆變器可以廣泛地運(yùn)用到各種分布式電源與電網(wǎng)的接口。

    如圖2所示，本文采用并網(wǎng)電流和電容電流雙閉環(huán)控制策略控制并網(wǎng)電流,使其與電網(wǎng)電壓同頻同相。并網(wǎng)電流和電容電流雙閉環(huán)控制是采用并網(wǎng)電流作為外環(huán)控制量、電容電流作為內(nèi)環(huán)控制量,用并網(wǎng)電流外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出通過(guò)PWM跟蹤控制技術(shù)去控制開(kāi)關(guān)器件的通斷。并網(wǎng)電流外環(huán)采用PCI控制，電容電流內(nèi)環(huán)采用比例調(diào)節(jié)增大阻尼以消除LCL輸出濾波器的振蕩屬性,增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 PCI控制

    傳統(tǒng)PI控制中，內(nèi)環(huán)PI控制器的傳遞函數(shù)為：

    直流量具有無(wú)窮大的增益，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流量的零穩(wěn)態(tài)誤差控制。同理，在給定的交流頻率ω₀處，控制器的增益為有限的增益，所以此時(shí)的增益為有限，系統(tǒng)輸出電流將會(huì)與參考電流存在誤差，即系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)導(dǎo)致輸出電流受到電網(wǎng)電壓的影響。對(duì)于PCI控制器來(lái)說(shuō)，控制器在交流角頻率為ω₀時(shí)增益為：

    該處增益為無(wú)窮大，所以PCI控制不會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差，可以達(dá)到輸出電流很好地與參考電流保持一致的效果，而且輸出電流受到電網(wǎng)的干擾非常小。

2.1 傳統(tǒng)單相虛擬坐標(biāo)系PCI控制

    傳統(tǒng)虛擬坐標(biāo)系下的比例復(fù)數(shù)積分控制相對(duì)復(fù)雜，其控制原理圖如圖3所示，其總體思想均是將并網(wǎng)電流信號(hào)構(gòu)造出虛擬三相或者兩相坐標(biāo)系變量，模擬三相逆變器系統(tǒng)進(jìn)行PCI控制。與三相逆變器系統(tǒng)所不同的是，這里的信號(hào)只取出其中一相作為輸出量。

    圖3(a)的原理是，將誤差信號(hào)延遲120°和240°，以此構(gòu)造出所需要的虛擬三相坐標(biāo)系，再對(duì)其進(jìn)行三相PCI控制，該方法的最大延時(shí)高達(dá)240°。為了減小延時(shí)，有學(xué)者研究了最大延時(shí)為120°和90°的虛擬坐標(biāo)構(gòu)建方法。

    圖3(b)中，X代表電壓或者電流，將式(5)分解為式(6)的兩個(gè)相互正交的正弦信號(hào)，再得到包含任意單相變量幅值和相位信號(hào)的式(7)，整個(gè)控制結(jié)構(gòu)由低通濾波器、虛擬坐標(biāo)系和逆變器三部分組成。逆變橋輸出構(gòu)建虛擬dq坐標(biāo)需要的單相信號(hào)(電壓量或者電流量)，經(jīng)過(guò)低通濾波器消除開(kāi)關(guān)頻率處的諧波量，再進(jìn)行虛擬坐標(biāo)系的構(gòu)建，這種方法的延時(shí)為45°。

2.2 全通濾波器PCI控制

    與低通、高通、帶通濾波器所不同的是，信號(hào)經(jīng)過(guò)全通濾波器后，在整個(gè)頻段的幅值信號(hào)不變，而相頻特性則可根據(jù)需要進(jìn)行特性參數(shù)設(shè)置從而得到需要的信號(hào)。

    由上述內(nèi)容可知，傳統(tǒng)的PCI控制均構(gòu)建了虛擬坐標(biāo)系來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)“-j”。本文采用文獻(xiàn)[12]提出的方法，即在控制環(huán)節(jié)巧妙地運(yùn)用一階全通濾波器，實(shí)現(xiàn)“-j”。本文在此基礎(chǔ)上針對(duì)單相并網(wǎng)逆變器在實(shí)際運(yùn)用中存在諧波的問(wèn)題，進(jìn)一步分析了比例多重復(fù)數(shù)積分控制。

    在MATLAB/Simulink中仿真得到一階全通濾波器的幅頻特性如圖4所示。

    顯而易見(jiàn)，在50 Hz處，滿足PCI控制“-j”的要求。那么這種PCI控制的原理如圖5所示。

    將式(8)代替原理圖中的“j”構(gòu)成新型的PCI控制原理圖，如圖6所示。

    文獻(xiàn)[12]提到，實(shí)驗(yàn)中存在并網(wǎng)諧波電流，故本文對(duì)比例多重復(fù)數(shù)積分控制進(jìn)行分析，消除電流中可能存在的并網(wǎng)諧波。增加3次諧波和5次諧波的PCI控制降低該處逆變器輸出電流的諧波含量，可得比例多重復(fù)數(shù)積分傳函為：

    由圖2可以得到其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

    只考慮k_p，根據(jù)上述公式有k_p=0.1，k_i=500，同理選擇k_i3=k_i5=500。閉環(huán)伯德圖如圖7所示。

    從伯德圖中可以看出系統(tǒng)在基波、3次諧波和5次諧波處的增益均為零，相位為零，即輸出電流可以在這些頻率處對(duì)給定電流進(jìn)行無(wú)差跟蹤。

3 仿真驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證PCI控制的有效性以及優(yōu)越性，在MATLAB/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了3 kW單相并網(wǎng)逆變器的仿真驗(yàn)證，參數(shù)如表1所示。

    參考文獻(xiàn)[11]對(duì)傳統(tǒng)單相虛擬坐標(biāo)系的PCI控制進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)，本文僅針對(duì)基于全通濾波器的PCI控制進(jìn)行仿真驗(yàn)證分析。結(jié)果如圖8～圖10所示。

    圖9為采用一階全通濾波器的基波PCI控制仿真和THD，圖8可以看作是圖9的一種特殊情況，當(dāng)ω₀=0時(shí)，此時(shí)的PCI控制等效于PI控制，此時(shí)PI控制存在一定的穩(wěn)態(tài)幅值和相位誤差，從仿真結(jié)果不難看出，PCI控制能夠快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，而且并網(wǎng)電流的穩(wěn)態(tài)誤差為零，PI控制的總諧波失真（THD）更大，為0.83%；PCI控制的THD為0.46%。但是單個(gè)PCI控制的3次諧波和5次諧波含量較大，導(dǎo)致文獻(xiàn)[12]中提到的實(shí)驗(yàn)存在并網(wǎng)諧波的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上采用比例多重復(fù)數(shù)積分控制，得到如圖10的仿真波形，3次諧波和5次諧波都得到有效抑制。

4 結(jié)論

    本文從傳統(tǒng)比例復(fù)數(shù)積分控制基本理論出發(fā)，引用了基于全通濾波器的PCI控制，對(duì)其進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并對(duì)相關(guān)傳遞函數(shù)進(jìn)行伯德圖分析，設(shè)計(jì)了單相逆變并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制系統(tǒng)低諧波注入和零穩(wěn)態(tài)誤差的特點(diǎn)，基于全通濾波器的PCI單相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能、抗干擾能力以及對(duì)并網(wǎng)電流諧波的抑制作用。在對(duì)諧波進(jìn)行抑制時(shí)，可以根據(jù)需要對(duì)復(fù)數(shù)控制部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)卦鰷p，以達(dá)到對(duì)相應(yīng)諧波的抑制效果。本文的控制方法具有廣泛的適用性，可以運(yùn)用于其他各種新能源并網(wǎng)接口，在三相系統(tǒng)和單相系統(tǒng)中均可以起到很好的效果?；诒壤e分控制的單相逆變控制仍然需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這將在后續(xù)工作中完善。

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作者信息:

黎凡森1，曹太強(qiáng)1，2，陳顯東1，夏昱成3，林玉婷1

（1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039；

2.流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西華大學(xué)），四川 成都610039；3.電子科技大學(xué)格拉斯哥學(xué)院，四川 成都611731）