王晓晓 李田泽

摘 要： 光伏并网逆变器的控制方法是实现光伏系统并网控制的关键。在对比分析比例谐振控制器的基础上，提出准比例谐振积分与无差拍复合控制相结合的方法，并应用于三相光伏并网逆变系统中。在两相静止坐标系下，准比例谐振控制器（QPR）完成对基波电流的无静差跟踪，基于重复原理的无差拍控制器（DBC）抑制電网低次谐波的干扰，积分环节降低直流分量的影响。在Matlab/Simulink下的仿真结果表明，该控制方法可以实现对基波正弦量的无静差跟踪，有效抑制谐波，具有较好的动态和稳态性能。

关键词： 光伏并网； 逆变器； 准比例谐振控制； 无差拍控制； 积分控制； Matlab

中图分类号： TN876?34； TM615 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）22?0117?05

Abstract： The photovoltaic grid connected inverter control method is the key to realizing grid connected control of the photovoltaic system. On the basis of comparing and analyzing the proportional resonant controller， the method of combining the quasi?proportional resonant integral with deadbeat compound control is proposed and applied to the three?phase photovoltaic grid connected inverter system. In the two?phase stationary coordinate system， the zero static error tracking of the fundamental current is completed by using the quasi?proportional resonant （QPR） controller， the interference of low?order harmonics is suppressed by using the deadbeat controller （DBC） based on the repetition principle， and the influence of the DC component is reduced in the integral link. The Matlab/Simulink simulation results show that the control method can realize zero static error tracking of the fundamental sinusoidal quantity， effectively suppress harmonics， and has good dynamic and steady?state performances.

Keywords： photovoltaic grid connection； inverter； quasi?proportional resonance control； deadbeat control； integral control； Matlab

0 引 言

逆变器作为连接光伏阵列和电网的器件，主要作用是跟踪光伏阵列的最大功率点和向电网注入正弦波电流[1]。并网逆变器的输出电压被电网钳住，不易控制，因此通常采用电流控制方法。目前使用较多的电流控制方法有PI控制、PR控制、重复控制、无差拍控制、滑膜控制等[2?4]。关于逆变器控制方法的研究有很多，文献[5]提出了基于PI与准PR联合控制的方法，可实现并网电流的无静差跟踪；文献[6]提出了准比例谐振积分与重复控制相结合的方法，能较好地抑制电流谐波；文献[7]提出一种三相并网逆变器比例复数积分电流控制技术，克服了PI控制的缺点，降低了并网电流的稳态误差。

谐振控制是在控制器中加入无损谐振环节，使该谐振点处的增益趋向无穷大，从而实现对该频率下交流正弦量的无静差跟踪。但它在非谐振频率附近有狭窄的频段和过高的增益，使系统对负载和电网的波动反应过于明显[8]。无差拍控制方法是将正弦输出波形均分为若干周期，根据负载在当前采样周期的电流值，算出在关于采样周期中心对称的方波脉冲的作用下，下一个采样周期的开关占空比。无差拍控制具有动态响应速度快，跟踪精度高，总输出谐波含量少的优点。但是抗干扰能力弱，当电网发生突变时动态响应慢[9]。

根据以上结论，本文提出了准比例谐振积分与无差拍复合控制结合的光伏并网逆变控制策略。

1 三相光伏并网逆变系统

1.1 系统电路拓扑结构

本文三相LCL型光伏并网逆变器的拓扑结构如图1所示。该系统主要由光伏阵列、滤波电容、开关管、LCL滤波器、电网等组成。LCL滤波器与L，LC结构相比，可以更好地抑制谐波电流，并且采用LCL滤波器的并网逆变器的损耗和尺寸都较小。

1.2 系统数学模型

为了更好地设计准比例谐振控制器，需要对上述三相光伏并网逆变器拓扑结构进行数学建模。通过KVL和KCL，计算出abc坐标下系统的状态空间方程，再通过Clark变换，得到光伏并网逆变器在αβ坐标系下的状态空间方程。

式中：n=α，β；在αβ坐标系下，[i1nt，i2n（t）]分别为逆变器侧和电网侧电流值；[uCnt]为电容电压值；[unt]为逆变器电压值；[ugnt]为电网电压值。由式（1）可以看出，αβ坐标下电压量和电流量是相互独立的。由此，得到αβ坐标下逆变器数学模型如图2所示。

2 三相光伏并网复合控制策略

光伏并网逆变器的控制通常采用电压外环和电流内环的双环控制方法。电压外环通过控制直流母线电压实现光伏阵列与逆变器输出功率平衡；电流内环通过控制并网电流实现单位功率因数并网。为了消除逆变器开关死区及电网谐波对并网电流产生的影響，必须采取合适的并网电流控制策略。本文在改进传统PR控制器的基础上提出基于准比例谐振积分与无差拍复合控制相结合的电流内环控制策略。其主要由三部分组成：

1） 准比例谐振控制器实现对基波电流的无静差跟踪；

2） 无差拍控制器抑制电网谐波，增强系统的抗干扰能力；

3） 积分环节降低直流分量的影响。

电流控制器的原理如图3所示。

图中：[I*dc（s）]为积分环节参考值；[I*g（s）]为并网电流参考值；[GINVs=KPWM]为逆变电路的传递函数；KPWM为逆变电路的比例系数；[GFs=1sL+R] 为滤波器输出的传递函数。

3 逆变器准比例谐振积分控制

3.1 准比例谐振（QPR）控制

由于PR控制器在谐振频率处频带狭窄，文献[6]采用准比例谐振（QPR）控制方法，该控制方法不需要坐标变换，可实现正弦信号的无差控制和低次谐波的补偿。准比例谐振控制器的传递函数为[6]：

3.2 准比例谐振积分（QPRI）控制

系统在QPR控制器的基础上加入积分控制器，它的优点是在低频段增益较大，可降低低频直流谐波；同时系数简单易调整，有利于减小稳态误差[3]。

所以，加入积分环节也能抑制低频直流谐波，QPR控制器在加入积分环节前后的波特图如图4所示。由图可看出，加入积分环节后，QPR控制器在高低频段的谐波均得到有效抑制。而在中频段基波频率处，系统幅值增益为1，相位误差接近0，系统的稳态性能较好。

4 基于重复原理的无差拍控制

4.1 基于重复原理的无差拍控制工作原理

系统中非线性负载的扰动具有周期性，仅采用无差拍控制方法无法解决问题。由于两种方法具有相似性，因此本文综合了两者的优点。当负载处于稳态时，负载谐波电流呈现为周期性，此时采用重复控制算法。由于电流值在每个周期对应时刻都相等，下一周期某采样时刻的电流可以利用上一周期某采样时刻的电流值加上补偿量来预测[10]，电流控制公式为：

式中，[emax]为相邻两个周期在相同时刻电流变化的误差。当满足式（10）时负载电流处于暂态，当不满足式（10）时负载电流处于稳态[10]。

文献[11]中对基于改进重复原理的无差拍控制进行仿真验证，仿真结果表明，该方法保留了无差拍控制和重复控制的优点，动态性能较好。

4.2 稳定性分析

要实现三相光伏并网逆变系统稳定工作，必须保证基于重复原理的无差拍控制电流预测方法能准确预测输出电流的值，下面以负载发生突变时的情况来说明外推重复预测方法的准确性。

5 仿真分析

为了验证所提控制方法的有效性，本文在Matlab/Simulink仿真平台上对提出的控制方法进行仿真验证。仿真参数如下：输出额定功率为50 kW，经过Boost升压电路后的直流母线输入电压为800 V，并网电压有效值为220 V，频率为50 Hz。经过计算，LCL滤波器中电感L1为0.55 mH，L2为0.11 mH，电容C为150 μF，电容串联电阻RC为0.26 Ω，开关频率为10 kHz。为了保持系统的稳定，取准比例谐振控制器的参数kP=0.05，kR=0.95，ωc=8 rad/s，无差拍控制器中kr=0.5，经仿真确定积分控制器参数kI=50，两种方法的仿真结果对比如图5所示。

以上两种方法的并网电流谐波对比图如图6所示。通过仿真对比可以看出，基于准PR积分与重复复合控制策略下并网电流的波形质量得到了很大改善。

6 结 论

本文提出准比例谐振积分控制与无差拍复合控制相结合的光伏并网逆变控制方法。该方法既保留了比例谐振控制无静差跟踪的优点，又结合了无差拍控制和重复控制能有效降低电网谐波的特点。仿真结果表明，该复合控制方法能较好地抑制并网电网谐波，提高系统的动态和稳态性能。

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