??? 摘? 要： 分析了電壓型控制模式下的逆變器并網的電路結構和數學模型，提出了基于重復控制技術的光伏逆變器并網控制策略，仿真和實驗結果表明方案滿足逆變器并網要求。?
??? 關鍵詞： 光伏系統;? 并網;? 逆變器; 重復控制
?
??? 太陽能以其獨具的可再生、清潔的優勢，有很大的發展空間。而光伏并網發電系統是光伏系統的發展趨勢，作為光伏系統的核心, 并網逆變器的開發越來越受到學術界和產業界的關注。近年來, 數字化逆變器控制技術獲得廣泛應用，無差拍控制、滑模變結構控制、神經網絡控制、模糊控制、廣義預測控制、廣義最小方差控制等數字控制方案獲得了比較多的關注。然而，真正在實際逆變器系統中應用較多的是重復控制。?
??? 本文主要就并網逆變器的并網控制策略問題進行討論，并以單相逆變器進行系統仿真研究。?
1 并網逆變器拓撲及并網控制策略 ?
??? 并網逆變器的輸出控制模式主要有兩種[1]：電壓型控制模式和電流型控制模式。電壓型控制模式的原理如圖1所示，以輸出電壓作為被控量，并網逆變器的輸出是和電網電壓同頻同相的電壓源，并檢測電感上的諧波電壓對輸出電壓進行諧波補償。整個系統相當于一個內阻很小的受控電壓源。?
?
?
??? 電流型控制模式的原理如圖2所示，以輸出并網電感電流作為受控目標，逆變器的系統輸出是與電網電壓同頻同相的電流信號，整個系統等效于一個內阻較大的受控電流源。兩套系統都是以母線電壓作為外環控制，前端DC-DC控制變換器進行最大功率跟蹤，不斷調整占空比，輸出直流母線電壓不受控，因此后端的逆變器將母線電壓穩定在恒值，實際上就保證了功率輸出的平衡。市電系統可視為容量無窮大的定值交流電壓源，如果光伏并網逆變器的輸出采用電壓控制，則實際上就是一個電壓源與電壓源并聯運行的系統，這種情況下要保證系統穩定運行，必須采用鎖相控制技術以實現與市電同步，在穩定運行的基礎上，可通過調整逆變器輸出電壓的大小及相移以控制系統的有功輸出與無功輸出。并網電流和輸出電源的質量完全取決于電網電壓，只有當電網電壓質量很高時，才能得到高質量的并網電流和輸出電源。如果電網電壓受到擾動或出現不平衡，則由于并網逆變器對電網呈現出低阻特性，可能會影響逆變器的運行。如果逆變器的輸出采用電流控制，則只需控制逆變器的輸出電流以跟蹤市電電壓，再通過輸出電感連接到電網，即可達到并聯運行的目的。通過調整輸出電流的給定值可以改變輸出功率的大小，其控制方法相對簡單。但如果要實現并網/獨立兩用光伏系統，則在獨立運行模式下，逆變器要改為電壓源輸出的模式。這樣就牽涉到兩套控制系統的轉換問題。故在此僅討論圖1所示的光伏系統。?
?
?
2 電壓源控制型逆變器并網原理?
??? 電壓源型逆變器并網的等效電路如圖3所示，其中Us為電網電壓，Ug為逆變器輸出電壓，R+jX為逆變器并網緩沖電感的阻抗。由圖3可知：?
????
?
?
?
??? 電網向逆變器輸出的復功率為：?
????
?
????電網向逆變器輸出的有功功率和無功功率及其在δ<5°時的近似等效分別如式(4)、式(5)所示：?
????
?
由此可以看出，當電網電壓幅值有差異時，傳遞無功功率；相角有差異時，傳遞有功功率。所以，根據圖1所示的電壓源型并網原理圖，將電網電壓均值作為逆變器輸出電壓幅值指令，保證無功功率為0，同時相位上保證超前電網電壓一個相角δ，用以傳遞有功功率。同時，由于電網上的諧波將反映在并網電抗上，因此檢測其兩端電壓的壓差，取其諧波分量進行重復控制補償，讓逆變器發出一個與電網電壓一致的諧波電壓，則在電感上就沒有諧波分量，保證了輸出電流的質量。?
3 控制系統設計?
3.1 重復控制器及補償器設計?
??? 逆變器的控制死區、不對稱因素、直流側電壓和電網等擾動因素的存在，會使逆變器輸出波形產生畸變。如果采用傳統PI控制，從理論上說系統是個有差系統，不可能實現無靜差跟蹤，通過增大比例系數雖然可以減小穩態誤差，但會導致控制精度降低，甚至引起系統振蕩。采用重復控制技術可以較好地解決這些問題。重復控制是基于內模原理的控制理論，即如果希望控制系統對某一參考信號進行無靜差跟蹤，則產生該參考信號的信號發生器必須包含在一個穩定的閉環系統中。并網逆變器的輸出電流波形控制實質上是一個伺服系統設計問題，系統需要跟蹤的指令信號基波為正弦波，而需要抑制的擾動信號除了基波外還含有基波頻率整數倍的多重諧波。由內模原理可知，要想實現輸出信號和指令信號之間無靜差，必須針對每一個指令信號和擾動信號設置一重內模，這將會使系統構造復雜化而難以實現。擾動信號的頻率盡管很多，但它們都具有一個共同的特征：在每一個基波周期內都以相同的波形重復出現，重復控制利用“重復信號發生器”內模，很巧妙地解決了這個問題。在重復信號發生器的作用下，控制器進行逐周期積分控制。通過對波形誤差的逐周期補償，可以抑制周期性的擾動信號，并且穩態時可以近似實現無靜差跟蹤效果[2-3]。?
??? 如圖4所示，重復控制器主要由兩部分構成：內模和輔助補償器。內模為圖中灰色背景部分，它的作用是產生周期性參考信號。輔助補償器是為了改造控制對象，以增加其穩定裕度。?
?
?
??? 在本文的仿真分析系統中,內模實際是一個周期延遲的正反饋環節。其離散脈沖傳遞函數為：?
????
?
其中，取Q(z)=0.95。由圖4可知，上一周期的輸出量經過衰減0.95倍和當前誤差e進行逐基波周期累加，N為一個基波周期內并網電流的采樣次數，其值等于一個基波周期內SPWM的中斷次數即載波比。在本系統中，由于開關頻率為20kHz，故N=400 。?
??? 并網逆變器輸出電壓的傳遞函數可由下式描述：?
????
?
??? 設系統參數為：直流母線電壓250V、輸出電壓幅值55V、開關頻率20kHz、濾波電感0.8mH、濾波電容20μF、濾波電感等效電阻1.32Ω，則可以得到本系統的傳遞函數為：?
????
?
??? 濾波器C(z)采用超前相位補償法，利用反饋控制系統前向通道中串聯的周期延遲環節z-N，使得本來無法超前實施的控制量可以通過延遲到下一周期的適當時刻而獲得了所需要的超前作用。?
??? 超前相位補償器可以用式(10)表示：?
????
?
??? 根據系統參數，設計S(z)=S1(z)S2(z)，其中陷波濾波器S1(z)選取為:?
????
?
其作用為對消逆變器的諧振峰，同時對逆變器截止頻率以下頻段增益衰減很小，不會影響到對該頻段諧波的抑止效果。二階低通濾波器S2(z)設計為：?
????
?
用來增強系統高頻段的穩定性，用于彌補陷波濾波器缺乏高頻衰減特性的缺陷。?
??? 前饋增益Kr通常在0～1之間選擇，Kr越大誤差收斂越快，系統穩態誤差越小，但穩定性越低；反之則誤差收斂慢，系統穩態誤差增大，但穩定性增加。雖然S(z)和Q(z)在設計時已經考慮了系統穩定性的要求，但考慮到工程設計中系統穩定裕度和誤差收斂速度之間的折衷，這里選擇Kr為0.8。?
??? 控制對象相位滯后的補償是由zk等效實現的。利用z變換的基本關系式z=ejωT(T為采樣周期)可得：?
????
?
??? 可見超前環節zk的模值恒為1，而相角則與所考慮的頻率成正比。取超前環節為z8，恰好可以補償S(z)P(z)在中低頻段的相位滯后。所以：?
????
?
3.2 諧波檢測及提取?
??? 設電感上瞬時電壓為v(t)，其基波分量為vf(t)，則諧波壓降為：?
????
?
??? 在開關頻率為20kHz的系統中，在400個點的任意時刻k的離散化表達式為：?
????
?
??? 則基于正交特性的諧波檢測算法可以得到基波的表達式為： ?
????
?
??? 代入式(16)即可求得諧波的分量Vh(k)。?
3.3 控制方案的仿真及實驗?
??? 根據上述控制方案和控制參數，在仿真軟件Matlab/Simulink環境下建立電壓源并網逆變器的仿真模型[4]，如圖5所示。
?
?
??? 系統只向電網輸出有功電流，逆變器輸出電壓相角超前電網電壓；在恒電壓源的基礎上疊加150Hz、250Hz、210Hz低值電壓源模擬含有諧波分量的電網，THD＝5.19%。仿真結果如圖6所示。其中，逆變器輸出電壓的總諧波畸變為THD＝4.50％，并網電流的總諧波畸變THD＝4.44％，滿足入網要求。?
?
?
??? 采用上述方案，在3kVA單相半橋SPWM逆變器試驗臺架上的電壓電流波形如圖7所示。其中，電網電壓THD＝7.4%，并網電流THD＝3.72%，滿足入網要求。?
?
?
??? 將重復控制技術引入到光伏發電系統的并網逆變器控制中，可以解決傳統的PI控制不能解決的問題。仿真和實驗結果表明,采用電壓模式并網控制策略，在重復控制作用下，可以得到較好的逆變器并網控制效果。?
參考文獻?
[1] 趙為. 太陽能光伏并網發電系統的研究[D].合肥：合肥工業大學，2004.?
[2] 李俊林. 單相逆變器重復控制和雙環控制技術研究[D].武漢：華中科技大學，2004.?
[3] 張凱. 基于重復控制原理的CVCF-PWM逆變器波形控制技術研究[D].武漢：華中科技大學，2000.?
[4] INDGREN M B. Analysis and simulation of digitallycontrolled? grid-connected PWM-converters using the spacevector average approximation. Computers in Power Electronics,1996,(8):85-89.