夏向阳，徐 刚，程莎莎，张 琦

(长沙理工大学 电气与信息工程学院，长沙 湖南 410114)

0 引言

随着不可再生能源的过度开采和消耗，生态环境恶化的加剧，太阳能、风能以及燃料电池等作为新型清洁的能源受到了广泛的关注，利用新能源发电的分布式发电技术成为全球能源可持续发展战略的重要组成部分。并网逆变器作为可再生能源并网发电的关键设备［1～3］，其控制性能直接影响到分布式发电系统输出的电能质量，所以新能源分布式发电的一个研究热点是逆变器并网控制技术［4～5］。由于分布式发电系统的输出不具有同步发电机那样的外特性曲线，所以对其控制性能要求比较高。光伏并网逆变器的电流控制方法主要分为直接电流控制和间接电流控制，间接电流控制相对简单，不需要电流反馈;直接电流控制需要电流反馈。但是间接电流控制的电流动态响应不够快，且对系统参数敏感，经常用于对动态响应要求不高且控制简单的场合。而直接电流控制则可以得到高品质的电流响应，在要求比较高的场合得到广泛应用。在直接电流控制中，有电流滞环控制、空间矢量控制、电流预测控制、PI 控制和比例谐振控制［6～9］。电流滞环控制，控制原理简单并具有较好的动态性能，但开关频率受滞环宽度影响且不固定，滤波电路难以控制;电流预测控制方法是建立在对象精确地数学模型基础上的，当对象的参数发生变化，它的控制性能也会发生变化;PI 控制设计简单，易于实现并可以消除直流稳态误差，但是跟踪交流电流却存在稳态误差且响应速度较慢［10～12］。综上所述，本文提出一种基于比例谐振(PR)控制的新型并网控制方法，该方法可以实现对电流的快速零稳态误差跟踪。使光伏并网系统在输出用功的同时可以实现对本地负载的无功补偿和有源滤波功能。光伏并网发电技术目前发展较快，本文以光伏并网发电系统为例来进行研究。

1 单相光伏并网系统结构

本文以单相光伏并网系统为研究对象，其系统结构如图1 所示。整个系统主要由光伏阵列、升压 (Boost)电路、逆变电路、LC 滤波单元、本地负载、驱动电路以及控制系统构成。Cdc为并网逆变系统直流侧储能电容，作用是滤波和稳压，保证向逆变单元输送高品质的直流电。LC 滤波单元由电感Ls和电容Cs组成，作用是为了滤除逆变器输出端的高频谐波;us为电网电压，ig为注入电网的电流。由于光伏输出电压较低，Boost 电路将光伏输出的较低电压抬升，通过最大功率跟踪MPPT 算法将光伏能量传递到逆变单元，逆变单元通过并网控制将光伏能量馈入到电网。

图1 单相光伏并网系统框图Fig.1 Singlep－hase photovoltaic grid system block diagram

2 基于PR 控制的新型控制方法研究

2.1 系统模型分析

考虑到逆变器的开关频率要比电网频率高很多，可以忽略逆变器开关管动作时对整个系统的影响，可以把逆变单元近似等效成增益环节K。

图2 中，G (s)是系统控制器的传递函数，R 是串联等效电阻，ugrid是电网电压，Iref为并网电流参考信号。

图2 单相并网系统的控制模型Fig.2 Single－phase grid control model of the system

由图2 可以推导出并网逆变系统输出电流的表达式:

2.2 PR 控制器分析

PI 控制器传递函数为

PR 控制器传递函数为

目前最常用的控制方法是PI 控制，PI 控制简单实用且可靠。但是缺点是PI 控制不能保证优化电能的质量和速度。而PR 控制器可以通过对参考信号的无差跟踪实现零稳态误差。在实际系统中，PR 控制器也存在一些问题，第一是对模拟系统元器件的参数精度和数字系统精度的要求太高，不易实现。第二是PR 控制器在基频处增益无限大，而在非基频处的增益却非常小，如果电网频率发生偏移，将不能有效地抑制电网产生的谐波。因此，本文采用一种准PR 谐振控制器，这种控制器在保持PR 控制器的高增益的同时，还可以减小电网频率偏移对逆变器输出电流的影响，其传递函数为

式中:ω0为逆变器输出基波频率，ωc，kp，kR为控制器的3 个参数。

采样双线性变换对准谐振控制的传递函数进行离散化。假设

将式(5)代入式(4):

2.3 电压前馈控制

由于并网过程中电网系统中也含有较多的工频附近的谐波，如基波周围的3，5，7 次谐波，这些谐波的存在严重干扰逆变器的控制系统的正常工作，进而威胁并网逆变器的安全运行，因此本文在之前研究的基础上引入了电网电压前馈控制，用来限制电网波动对并网逆变器的影响。应用电网电压前馈补偿单元的系统结构如图3 所示，Gf(s)为电压前馈环节传递函数。

根据图3 可得输出电流为

图3 带电压前馈控制的系统模型Fig.3 With voltage feedforward control system model

当Gf(s)=1/K 时，式(3)变为

由此可知，此系统可以有效提高抗电网干扰的能力。

2.4 基于PR 控制的复合控制方法

目前分布式发电发展速度很快，许多微电网在满足本地负载的同时还向电网供电，但是由于一些本地负载的不稳定性，给并网逆变器的设计带来很大挑战，因此，本文提出一种把PI 控制和PR 控制相结合的多用途型并网逆变器控制方法，如果本地负载消耗大量无功且谐波很大时，使用PR 控制器产生无功和谐波补偿电流;再通过PI控制器实现光伏逆变器并网控制，采用这样的控制方法，将大大提高系统的稳定性和改善电能质量。

通过采样电路分别采集I0和IL两路电流信号，I0信号和并网电流参考信号Iref的差值送入PI控制器，利用PI 控制的简单可靠快速性进行并网控制，稳定的向电网输送电能;IL的信号和自己的基波信号的差值送入准PR 控制器，利用准PR控制器的零稳态误差跟踪特性，快速地对本地负载的谐波和无功进行补偿;再利用电压前馈控制抵抗电网电压波动的影响，保证逆变器工作的稳定性和向电网输送标准的正弦波。控制结构如图4 所示，I 是并网逆变器的输出电流，IL是本地负载电流。

3 仿真与试验

图4 复合控制原理图Fig.4 Composite control principle diagram

本文采用Matlab/Simulink 软件对上述所提的新型复合控制方法进行仿真，仿真的检测方法采用基于ip－ iq算法的无延时单相无功电流检测方法。为验证所提出的复合控制策略的可行性，搭建了基于DSP (320F2812)芯片的试验平台。首先验证无功补偿能力，把非线性负载设为感性，ZL为30.5 +j32.7 Ω，检测本文所提的复合控制方法的无功补偿能力。图5，6 是并网逆变器输出时功率因数为1 和不为1 时的电流电压波形。

图5 功率因数为1Fig.5 The power factor of 1

图6 功率因数不为1Fig.6 The power factor isn't 1

图6 中逆变器输出功率因数不为1，说明本文所提控制方法具有无功补偿的能力。

其次再验证谐波抑制的效果，考虑本地非线性负载为消耗大量无功和产生以5，7 次谐波为主的谐波源时的情况。设置PR 控制器的参数ω=6ω0，ω0=100π rad/s，kp=4，kR=3.5，ωc=3.5，

K=400。图7 为采用复合控制的输出电流图。图8 为传统PI 控制的输出电流图。用本文提及的方法与采用传统PI 控制方法的效果作比较。

图7 采用复合控制的输出电流Fig.7 Using compound control output current

图8 传统PI 控制的输出电流Fig.8 Output current of conventional PI control

传统PI 控制的输出电流的总谐波畸变率(THD)大于7%，而采用本文提出的复合控制方法能把电流谐波畸变率(THD)控制在4%以内，仿真结果验证了PR 准谐振控制器对6 次谐波和无功的补偿作用。由此可得出本复合控制方法的有效性。

4 结论

本文提出把传统PI 控制和准谐振控制相结合的复合控制方法，应用于分布式发电系统中的并网逆变器上，可以实现对本地负载的快速无功补偿和谐波抑制，稳定地向电网输送洁净的电能。尤其对一些特定的非线性本地负载，采用本文提出的控制方法，将节省资源，提高经济效益，在未来的智能电网的发展具有一定意义。通过仿真软件和搭建试验平台验证本控制方法的有效性和可行性。

［1］Abusara M A，Sharkh S M.Design and control of a gridconnected interleaved inverter ［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28 (2):748-764.

［2］杨秋霞，梁雄国，郭小强，等.准谐振控制器在有源电力滤波器中的应用［J］.电工技术学报，2009，24(7):171-176.Yang Qiuxia，Liang Xiongguo，Guo Xiaoqiang，et al.Application of quasi resonant controller for active power filter［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2009.24 (7):171-176.

［3］陈红生，杨苹，曾晓生.单相并网逆变器准比例谐振控制器的设计［J］.低压电器，2012，22 (1):19-23.Chen Hongsheng，Yang Ping，Zeng Xiaosheng.Design of quasi-PR controlleron single phase grid-connected Inverter［J］.Low Voltage Apparatus，2012，22 (1):19-23.

［4］王博，李安，向铁元，等.三相光伏并网系统的运行控制研究［J］.电力科学与工程，2011，27 (1):5-9.Wang Bo，Li An，Xiang Tieyuan，et al.Research on three-phase grid-connected photovoltaic system operation［J］.Electric Power Science and Engineering，2011，27(1):5-9.

［5］Zhang J，Xu D，Shen G，et al.An improved islanding detection method for a grid-connected inverter with intermittent bilateral reactive power variation ［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28 (1):268-278.

［6］武卫革，翟志强，赵志强，等.光伏组件逆变器控制系统设 计［J］.电 力 科 学 与 工 程，2012，28 (3):17-20.Wu Weige，Zhai Zhiqiang，Zhao Zhiqiang，et al.Control system design of PV cells inverter ［J］.Electric Power Science and Engineering，2012，28 (3):17-20.

［7］夏向阳，唐伟，冉成科，等.基于DSP 控制的单相光伏并网逆变器设计［J］.电力科学与技术学报，2011，26 (3):52-56.Xia Xiangyang，Tang Wei，Ran Chengke，et al.Design of single phase photovoltaic grid-connected inverter based on DSP control ［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2011，26 (3):52-56.

［8］陈燕东，罗安，谢三军，等.一种无延时的单相光伏并网功率控制方法［J］.中国电机工程学报，2012，32(25):118-125.Chen Yandong，Luo An，Xie Sanjun，et al.A single phase photovoltaic grid-connect ed power control method without delay ［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32(25):118-125.

［9］黄晶晶，张杭，张爱民，等.一种新型并网逆变器电流控制策略的研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39(20):137-140.Huang Jingjing，Zhang Hang，Zhang Aimin，et al.Research on the new current control strategy based on the gridconnected inverter ［J］.Power System Protection and Control，2011，39 (20):137-140.

［10］夏向阳，万成.配电网中光伏微网系统的新型控制策略［J］.电气技术，2012，(8):28-31，50.Xia Xiangyang，Wan Cheng.Photovoltaic devices with active filter with complex control ［J］.Electrical Engineering，2012，(8):28-31，50.

［11］夏向阳，龚芬，周峰，等.配电网中分布式并网发电装置的复合控制策略［J］.高电压技术，2011，37(8):2010-2016.Xia Xiangyang，Gong Fen，Zhou Feng，et al.Composit control strategy in distributed grid-connected generation devices of distribution network ［J］.High Voltage Engineering，2011，37 (8):2010-2016.

［12］夏向阳，罗安.单独注入式有源电力滤波器的整体优化 设 计 ［J］.高 电 压 技 术，2009，35 (5):1137-1143.Xia Xiangyang，Luo An.Optimization design of integrated parameters of single injected active power filter ［J］.High Voltage Engineering，2009，35 (5):1137-1143.