基于准PR控制和双闭环反馈的单相逆变器控制策略的优化

基于准 PR控制和双闭环反馈的单相逆

变器控制策略的优化

摘要：本文研究了当下微电网在国内外的发展和应用，并讨论了微电网在一些方面的优势。建立了基于单相逆变器的微电网系统，讨论了孤岛模式下的单相逆变器拓扑结构，采用双闭环反馈控制，根据幅频特性比较了PI，PR和准PR控制在动态性能和稳态误差方面的优劣，最终选用准PR控制对控制策略的优化，实现无静差追踪并增强抗干扰能力，还实现了对并网谐波的优化。

关键词准PR，双闭环控制，H桥逆变器

一、引言

1.1微电网发展和研究意义

随着火电、水电、核电等大型集中电源和超高压远距离输电网的规模不断扩大，电力系统的弊端日益显著，并且在经济发展之余，人们越来越强调清洁高效

的可再生能源的开发，于是分布式发电不断发展，为了尽可能地解决大电网和分

布式电源之间的冲突，在充分利用分布式电源的情况下减少其对大电网的冲击，

学者们提出了微电网的概念。微电网将发电机、负荷、储能装置和控制装置结合

在一起，形成了一个独立的可控的单元。微电网虽然也是分散供电形式, 但它绝

不是对电力系统发展初期的孤立系统的简单回归。

1.2单相光伏微电网控制技术发展

理论上，逆变器输出电压中的谐波分量集中在开关频率及其倍数频率为中心

的周围，当此谐波被滤波器滤除后，输出电压应为失真度很小的正弦波。但由于

死区效应、非线性负载等因素的影响，会使输出电压波形产生严重的畸变，逆变

器输出的电压或电流谐波不仅会造成功率因素降低，影响效率，而且还会引起逆

变器自身及其他设备的失调。这些都需要适当的控制技术来改善逆变电源的性能。

本文提出一种改进策略，该策略电流内环采用电感电流瞬时反馈和负载扰动

前馈相结合的PI控制、电压外环采用准PR控制，既有抗输出扰动能力也能减少

并网谐波，还能实现零稳态误差。

二、单相逆变器双闭环策略

2.1逆变器的双闭环控制策略

我们首先考虑电流内环的反馈控制量，一般的电流内环反馈控制量如上所述，分为电感电流或者电容电流，利用电容电流作为控制量虽然可以利用其超前控制

作用，实现提前校正，相对于电感电流控制有更好的对于扰动的抑制作用，但却

无法对经过逆变器的电流进行保护，当然，电感电流为控制量的内环控制也可在

一定侧面提高动态性能。本文经过全方面的考虑最终选取电感电流作为内环控制量,并使用较为简单的PI控制。

接下来我们主要探讨双环控制的外环控制部分。

我们首先建立了双闭环系统的结构框图，滤波电容瞬时电压和给定电压基准

（s）产生瞬时电流基准值，与滤波电

信号比较，产生瞬时电压误差信号，经G

v

感电流信号和负载前馈干扰电流信号比较，形成瞬时电流误差信号，经过G

（s）

i

产生调制信号，与载波信号计算后产生SPWM开关信号，控制开关器件，在交流

侧形成调制输出电压。

有负载扰动时的前馈时的传递函数有：

针对外环电压控制，我们提出了三种控制方法并分别进行幅频分析，分别得

出理论性上稳定性和动态性能。

1.

首先我们分析的是最简单的PI控制

当G

（s）选用PI控制时：

v

在电网基波频率ω

处，PI控制的幅值：

所以在传递函数两项中都为有限值，输出电压U

0比参考电压U

ref

小，存在稳

态误差。虽然PI控制策略算法简单，容易实现，但无法做到无静差跟踪。

1.

为了实现无稳态误差的系统。PR控制器是基于内模原理的一种控制器。根据内模原理，如果把产生某一参考指令的模型植入到稳定的控制系统中，则可以实现对该指令的无静差跟踪。

当G

v

（s）选用PR控制时：

在电网基波频率ω

处，PR控制的幅值：

Kp:比例参数

Kr：谐振参数

将ω

其代入进传递函数中，第一项等于Uref，第二项趋向于0，相比于PI 控制，引入PR控制后，在基波频率处的输出基本等于参考电压，在其他频率处闭环增益均较小且小于0，虽然增强了抗干扰能力和稳态性能，但无法有效滤去谐波。但在后续的仿真中可以看出，负载出现扰动时，反应速度较慢，动态响应时间较长。

1.

由于上述PR控制器带来的问题，我们拟提出一种较为容易实现的准PR控制（s）选用准PR控制时：

当G

v

处，准PR控制的幅值：

在电网基波频率ω

图4：理想PR控制器幅频特性

图5：准PR控制器幅频特性

从三种控制器的幅频特性曲线可以看出，在小于基波频率的低

频段，PI控制器的增益要大于PR和准PR控制器的增益，这说

明PI控制对直流参考信号系统中的控制性能要优于PR和准PR 控制器。在基波频率处可以看到准PR控制器和PR控制器均具有足够大的增益，而且远远大于PI控制器在此处的增益，这也是PR控制和准PR控制可以实现对正弦参考信号无静差跟踪的根本原因。在基波频率附近，频率的小范围变化会引起PR控制器的增益直线下降，而准PR控制器仍具有足够大的增益，所以可以看出在电网频率发生偏移时，准PR控制器在输出电流控制上具有绝对的优势。

结论：

本文研究了当下微电网在国内外的发展和应用，并讨论了微电网在一些方面的优势。建立了基于单相逆变器的微电网系统，讨论了孤岛模式下的单相逆变器拓扑结构，采用双闭环反馈控制，根据幅频特性比较了PI，PR和准PR控制在动态性能和稳态误差方面的优劣，最终选用准PR控制对控制策略的优化，实现无静差追踪并增强抗干扰能力，还实现了对并网谐波的优化。

参考文献：

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[3]彭力,张宇,等.高性能逆变器模拟控制器设计方法.中国电机工程学报, 2006, 26(6): 89-90.