隔离型离网逆变器控制策略研究.docx

1、隔离型离网逆变器控制策略研究郝振洋，甘渊，浦程，陈浩蕾（南京航空航天大学，自动化学院，江苏南京211106）摘要：随着智能电网的提出，由分布式电网组成的微网被国内外学者广泛研究。此处针对离网型逆变器控制策略展开了研究。首先建立了电感电流比例控制、电容电压比例积分（PI）控制的双环控制模型。为了降低负载对输出电压的影响，提出了基于负载电流前馈的输出阻抗重构控制策略，有效地抑制了负载效应。针对基于PI的双环控制逆变器输出电压精度低、带非线性负载时低次谐波含量大的问题，提出了基于准比例谐振（PR）控制器的电压外环控制方式，实现了对给定信号的闭环无静差跟踪，降低了谐波频率点输出阻抗，减小了对应频率点输

2、出电压谐波含鼠。最后，设计了1.5kW的原理样机，并验证了所有设计。关键词：逆变器；准比例谐振；电压外环控制中图分类号：TM464文献标识码：A文章编号:1000-100X（2019）06-0068-04ResearchonControlStrategyofIsolatedOff-gridInverterHAOZhen-yang,GANYuan,PUCheng,CHENHao-lei(NanjingUniversilyofAeronauticsandAstronautics,Nanjing211106,China)Abstract:Withtheintroductionofsmartgrids

3、,microgridscomposedofdistributedgridshavebeenwidelystudiedbyscholarsathomeandabroad.Theoff-gridinvertercontrolstrategyisstudied.Firstly,adouble-loopcontrolmodelofinductorcurrentproportionalcontrolandcapacitorvoltageproportionalintegral(PI)controlisestablished.Inordertoreducetheinfluenceofloadonoutpu

4、tvoltage,anoutputimpedancereconstructioncontrolstrategybasedonloadcurrentfeedforwardisproposedwhicheffectivelysuppressestheloadeffect.Aimingattheproblemthattheoutputvoltageofthedouble-loopcontrolledinverterbasedonPIislowandthelow-orderharmoniccontentislargewithnonlinearload,avoltageouterloopcontrolm

5、ethodbasedonquasiproportionalresonance(PR)controllerisproposedtorealizethegivensignal.Theclosed-loophasnostaticdifferencetrackingwhichreducestheoutputimpedanceoftheharmonicfrequencypointandreducestheharmoniccontentoftheoutputvoltageofthecorrespondingfrequencypoint.Finally,a1.5kWprototypeisdesignedan

6、dallthedesignsareverified.Keywords:inverter；quasiproportionalresonance；voltageouterloop1引言近年来，随着能源枯竭和环境污染问题的愈演愈烈，人们不得不把关注的焦点转移到清洁、高效的新能源上。太阳能、风能、地热能等新型能源逐一被提上日程。而太阳能，作为新能源中的典型代表更是被各国学者作为重点研究对象。光伏逆变器是光伏微电网中的重要组成部分。传统控制算法对负载电流的控制有滞环控制（7、PI控制等。电流滞环控制是基于电流暂态的控制，具有动态响应快、鲁棒性能好等优点，但其输出频谱范围宽，滤波难度大。传统PI控制凶具有

7、原理简单、使用方便、鲁棒性强等优点，但在对控制精度和响应速度要求很高的系统中，如机器人伺服系统、航空定稿日期：2018-10-18作者简介：郁振洋（1981），男，江苏南京人，副教授，研完方向为微电网用电力电子变换器及其井网控制技术。航天系统等，PI控制往往很难满足系统的要求。针对工作在离网模式下的逆变器，介绍了一种能实现对给定正弦波信号的零误差跟踪控制叫根据内模原理，为了实现对交流信号的无静差跟踪，系统模型需包含交流信号的频域模型。交流信号的频域模型是一阶谐振环节，并在谐振环节中加入比例调节器，以保证系统的动态响应，这样就构成了PR调节器，由PR环节的波特图可以看出，系统在谐振频率点的增益接

8、近无穷大，但带宽很窄，因此系统的抗扰动性很差。为了增加系统的稳定性，在PR控制器中加入一阶高增益低通滤波环节，在保证谐振频率点处高增益的同时增加了带宽，提高了系统的鲁棒性。2控制策略研究为满足系统稳定性需求，采用前级Boost电路、中间级LLC谐振电路、后级单相逆变桥的三级式拓扑结构。前级电路主要完成启动过程中对直流母线的充电及太阳能电池板的最大功率追踪。第二级为高频电气隔离直流变换器，它首先将直流电能变换成高频交流电能后，再利用高频隔离变压器进行变压、匹配和电气隔离，而后再将高频交流电能整流成直流电能。第三级为逆变部分，主要将直流电能逆变成负载所需的电能。图1为光伏离网逆变器主电路。叫伸作V

9、崟摩A&弓嶷图1光伏离网逆变器主电路Fig.1Photovoltaicoff-gridinvertermaincircuit2.1基于负载电流前馈的输出阻抗重构策略采用电感电流为内环时，负载电流位于内环外部，负载效应不能很好地被抑制，输出特性较软，尤其是在带非线性负我的情况下，输出电压波形畸变严重。因此，以电感电流为内环时，需要将负载电流引入到内环中。图2为基于负载电流前馈的双环控制框图。图2双环控制框图Fig.2Double-loopcontroldiagram为了简化前馈环节，设o(s)=l,此时即为负载电流单位前馈。当引入负载电流单位前馈后，逆变器可以等效为电容电流控制。但电容电

10、流的成分很小，且谐波含量很大，不利于采样。且逆变器并联过程中需要采集输出电流信号，为负载电流前馈提供了硬件实现基础。Z。户Z.(s)/1+Zl(s)匕(s)+G(s)A*4Cu(s)+匕(s)(1)图3为有无单位负载电流前馈输出阻抗对比图，从阻抗图中可以看出，加入负载电流单位前馈后,0-100Hz频段内输出阻抗显著减小，但在100-500Hz频段内输出阻抗依然较大，谐波电流会在输出阻抗上形成谐波压降，从而使逆变器输出电压谐波含量增加。然而，当逆变器带非线性负我时，负载电流中大量的谐波集中于100-500Hz之间，只加入负载电流单位前馈不能满足输出电压低次谐波含量要求。对于单相逆变器带非线性负我

11、的情况，会有大量的谐波存在，但大多数谐波集中于3,5,7,9等奇次谐波。图3输出阻抗对比图Fig.3Comparisonofoutputimpedance2.2基于准PR控制由上述分析可知，当采用负载电流前馈策略时，对于逆变器带非线性负载情况，会存在大危奇次谐波，因此需要对这些频率点进行衰减。根据内模原理，采用谐振控制器来减小单个谐振点的输出阻抗。为了增强谐振环节的动态响应和抗干扰能力，组合比例和谐振环节构成PR控制器，其传递函数为：Gre(s)=Affi+2Ar3/(sW)(2)式中：如.为比例环节增益；此为指定谐振点角频率化为谐振环节增益。图4为PR的波特图，其中折=l,3o=lOO”ra

12、d-s-*,Ar=5o可见，PR控制器在此处的增益几乎是无穷大，可实现对交流信号的闭环无静差跟踪。但其在谐振点处增益大、带宽窄、抗扰动能力差，很容易导致系统不稳定。并且受数字控制的精度影响,准确调节谐振点在现实控制中是很难实现的。因此经常在PR控制器中加入一阶高增益低通滤波环节，保证了在谐振点高增益的同时，增加了控制器的带宽，降低了系统的灵敏度，这就是准PR控制器，其频域表达式如下：G(s)=km+2kfu)cs/(s22u)cs+u)o)(3)式中：处为剪切频率。asa图4PR控制波特图Fig.4PRcontrolBodediagram图5示出准PR的波特图，其中折=1,纯=IOOitrad

13、s'A产5,结=10rads】。当逆变器带非线性负载时，负载电流中含有大量的谐波，理论上控制器需要包含基波和所有谐波的内模，但这样会导致系统复杂，现实中难以实现。当逆变器带非线性负载时，负载电流谐波幅值往往与频率成反比，因此只需要将低次谐波植入到控制器中即可。该系统将1,3,5,7,9次谐波植入到控制器中，其表达式如下：图5准PR控制波特图Fig.5QuasiPRcontrolBodediagramGuPR=Aph+£41,3,5,7,96284MISrsz(4)由图7a可知，外环的截止频率为802Hz,相角裕度为51.5。加入谐波谐振环节后，开环截止频率增加，相角裕度降低，

14、但依然能够保证系统稳定。开环波特图在基波和谐波频率点均具有较大的增益，能够很好地跟踪指定频率点的信号。通过合理地设计准PR控制器的参数，其基波比例谐振控制器的表达式如下：6=0.077+2005/s2+20s+(2*rrx50)2(5)图6为采用式(5)的控制器后，电压外环的开环和闭环波特图。由图6a可知，电压外环的截止频率为708Hz,相角裕度为64。相比于PI控制器外环，截止频率相近，虽然相角裕度降低，但仍在稳定范围内。由图6a可知，开环在50Hz处增益为53.3dB,开环基频增益很大。由图6b可知,在50Hz处增益接近OdB,说明了PR控制器可实现对基波信号的无静差跟踪。22P言学rs-

15、¥_.(b)闭环波特图CIS-图6开环和闭环波特图1Fig.6Open-loopandclosed-loopBodediagram1图7为加入谐波谐振器后的开环和闭环波特图c图7开环和闭环波特图2Fig.7Open-loopandclosed-loopBodediagram270图8不同控制器时的输出阻抗对比Fig.8Outputimpedancecomparisonfordifferentcontrollers3实验结果为验证上述理论，设计了一款1.5kW的原理样机，现将实验结果分析如下。逆变器带非线性负我时输出电压总谐波畸变率(THD)大，为了能够直观地反映谐波准PR控制器的作用

16、，先加入基波谐振环节，然后依次加入谐波谐振环节。图9为加入基波准PR控制的实验波形及输出电压7770。输出电压77/0=2.479%,3,5,7,9次低次谐波含量较大。，/(10ms/格)(a)输出电压、电流波形2.479%3579全部谐波次数(b)输出电压的77/D图9基波准PR控制实验波形Fig.9ExperimentalwaveformsofbasicwavequasiPRcontrol依次加入谐波准PR控制器后，谐波含鼠变化趋势如图10所示。可见，随着低次谐波准PR控制器的加入，总谐波含量逐渐降低。加入指定次谐波准PR控制器后，对应次谐波含量明显降低。验证了准PR控制器对消除指定谐波的

17、作用。但谐波准PR控制器的加入会提高其他次谐波含量,5次准PR的加入使3次谐波含量增加了0.105%,7次准PR的加入使5次谐波含量增加了0.075%。图8为电压环控制器为PI和PR时的输出阻抗对比图。可见，相比于PI控制器，采用PR控制器时，在基波和3,5,7,9次谐波频率处输出阻抗均有大幅减小，有效抑制了负载电流低次谐波对输出电压的影响。2Igm1stlst+3rdlst+3rd+5thI"lst+3rd+5th+7ihlsi+3rd+5th*7th+9tl579谢波次数全«：图10谐波趋势Fig.10Harmonictrend加入3,5,7,9次谐波后输出实验波形及电

18、压THD如图11所示。此时输出电压77/D己降至1.731%,低次谐波含量也都有相应的减小。垣A003M<©-53与22.I.芸二订谐波次数(b)输出电压的77/D图11谐波准PR控制实验波形Fig.11ExperimentalwaveformswithharmonicquasiPRcontrol图12为基于准PR控制的逆变器突加、突卸负我输出电压、电流实验波形。z/(20ms/格)(a)突加负(20ms/格)(b)突却负栽(坚A00XM*?0-5图12突加突卸负裁波形Fig.12Waveformsofsuddenlyloadedandsuddenlyuninstalled(上

19、接第34页)用，利用其输出电流幅值、相位均可调的性质，设计合理的控制策略实现零序环流抑制功能，同时在电网无功需求较大时实现无功补偿功能，使SVG的功能达到最大化利用。最后，RTDS实验验证了所提控制策略的有效性。参考文献徐琳，刘静波，甄威，等.基于半实物实验平台的风电低电压穿越研究J.电力电子技术，2017,51(2)：26-28.1 付文秀，范春菊.SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用J.电力系统保护与控制,2015,43(3)：61-68.2 陈宏志，王旭，刘建昌，等.并联PWM整流器系统的零序环流抑制方法J.东北大学学报：自然科学版，2010,31(12):1677-1681.当

20、突加50%负载时，输出电压有10V左右跌落，经过约0.8ms恢复。当突减50%负我时，输出电压也有10V左右增加，经过约0.6ms即恢复正常运行。相比于PI-P双环控制，基于准PR控制的逆变器动态过程波动相似，但动态调节时间略长。4结论介绍了一种隔离型离网逆变器，并采用前级Boost电路、中间级LLC谐振电路、后级逆变电路三级式拓扑。其中，LLC谐振电路主要是为了实现高频隔离，当开关频率略低于谐振频率时，逆变器可在满载范围内实现初级开关的零电压开关，降低了开关管的损耗。对于离网型逆变器，此处采用比例谐振控制器来降低单个谐振点的输出阻抗，从而减小输出电压的总谐波畸变率。参考文献赵为，余世杰，沈玉梁，等.光伏并网发电系统的控制方法J.电工技术,2002,14(3):12-13.1 洪峰，单任仲，王慧贞，等.一种变环宽准恒频电流滞环控制方法J.电工技术学报，2009,24(1)：115-119.2 洪峰，刘军，严仰光.滞环电流控制型双Buck逆变器J.电工技术学报,2004,19(8):73-77.3 唐欣，罗安，涂春鸣.基于递推积分PI的混合型有源电力滤