基于PI_重复控制的光伏并网逆变器设计

C( z )
Kr zkS(z)
图 4 PI+重复控制系统结构图
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Vol.31 No.8 2011.8
为了验证以上分析，对三相光伏并网逆变器 进行了实验，实验模型如图 5 所示。电路中 C=2800 uF，L=3 mH，R=0.1 Ω。直流母线电压为 300 V 的恒定电压，负载为线电压为 380 V 的交流 电网。控制系统采用 TMS320F2812DSP 构成，采
经过解耦控制后的 d 轴和 q 轴成为两个独立 的系统，可以方便地设计其控制器，考虑采用的
数字控制系统引入采样延时，同时考虑变换器的
输出延时，以 d 轴为例可得到系统在连续域下的 等效模型，如图 2 所示。
i d*
KPs + KI
K PWM
1 id
s
τss +1
Ls + R
1 τ f s +1
图 2 PI 控制时电流环的等效模型
PI 控制保证系统动态性能，而重复控制提高电流波形跟踪精度。实验表明，采用这种方法后可以显著改善
逆变器的并网电流质量。
关键词：光伏逆变器 波形控制 PI 控制 重复控制
中图分类号: TM464
文献标志码: A
文章编号: 1003-4862(2011)08-0048-03
Design of Photovoltaic Grid-connected Inverter Based on PI and Repetitive Control
船Байду номын сангаас技术|控制技术
Vol.31 No.8 2011.8
基于PI+重复控制的光伏并网逆变器设计
张鹏 金海 梁星星 余峰
（中国船舶重工集团公司第七一二研究所， 武汉 430064）
摘 要: 本文通过实验指出数字 PI 控制器在光伏并网逆变器中的局限性，提出将重复控制器引入到电流内
环中以提高稳态性能，进而将重复控制和 PI 控制器并联用于三相光伏并网逆变器的电流波形控制。其中
Zhang Peng , Jin Hai, Liang Xingxing, Yu Feng
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC, Wuhan 430064, China)
Abstract: In this paper, it is pointed out through experimental result that the digital PI controller is in the limitations in the photovoltaic inverter, and it is proposed that repetitive controller is introduced into current loop to improve the steady characteristics. So PI control and repetitive control algorithm are adopted to correct the output current waveform of the photovoltaic grid-connected inverter. In this control strategy, the PI control is used to guarantee system dynamic performance and the repetitive control is to improve current waveform quality. The experimental results show that this controller design can significantly improve the grid-connected current quality. Key words: photovoltaic inverter ; waveform correction; PI controller; repetitive controller
图 3 采用 PI 控制的实验波形（THDi=6.4%）
3 PI 控制器并联重复控制器的电流波形 控制方法
Q(z) z−N
Vol.31 No.8 2011.8
重复控制源于控制理论中的内模原理，内模 原理是把作用于系统的外部信号的动力学模型植 入控制器以构成高精度反馈控制系统的一种设计 原理。重复控制虽然可以使系统获得很好的静态 性能，但是它却不能使系统获得好的动态性能， 重复控制一般是同其它控制策略配合起来使用 的。在实际系统中，重复控制器只需抑制控制对 象对原有指令的跟踪误差，所以一般把输入指令 作为前馈环节。否则当指令突加（比如逆变器开 机）时，输出量对指令的跟踪速度将受到重复控 制器的限制。当不加重复控制器，指令做前馈通 道时，系统是一个由 PI 控制器进行闭环控制的 SVPWM 调制环节，对于开机或者是负载突变过 程中可以提高系统响应的快速性。加上重复控制 器后，重复控制器检测原系统的跟踪误差，同时 在原有指令的基础上叠加一个修正量来减小误 差，重复控制器可看作是一个嵌入部件，所以这 种系统称为嵌入式重复控制系统[4]。图 4 是一个 PI 控制器并联重复控制器的结构框图。
ωn2
1+ G(s) s2 + 2ξωns + ωn2
（4）
式（4）中为一典型二阶系统的传递函数，其中
ωn = K /τ sf ， ξ = 0.5 1 / Kτ sf 。 为 了 获 得 较 好
的动态性能，一般令 ξ=0.707，ωn 一般取开关频 率 的 1/3～ 1/5 左 右 ； 将 前 述 条 件 代 入 以 上 式 子，计算得到：KP =1.45，KI =16。
G(s) = KP KPWM (s + TC ) Ls(τ sf s +1)(s + TL )
（2）
令 Tc= TL 实现零、极点对消可将高阶系统降 阶为一个二阶系统，再令 K=KpKPWM/L1 则：
G(s) =
K
s (τ sf s + 1)
（3）
可得电流闭环传递函数为：
C(s) = G(s) =
图 2 中 τs 表示为变换器开关周期的一半，代 表变换器延时；τf 表示反馈滤波和采样延时； KPWM 代表变换器放大倍数，取相电压峰值和直 流侧电压之比；KP 和 KI 分别代表电流环 PI 调节 器的比例和积分系数。由图 2 可得，系统的前向 传递函数为：
G(s) =
(KPs + KI )KPWM
1 引言
光伏并网发电是利用太阳能发电的一种有效 方式。光伏并网发电系统需要采用逆变器作为电 能转换装置将光伏阵列所输出的直流电变换成交 流电送入电网。由于太阳能光伏阵列（PV）的 强非线性特性，要将 PV 阵列的直流电能高质量 地逆变成交流电流馈入电网，并网逆变器一般采 用电压外环及电流内环的双环控制结构，或者 MPPT 外环直接控制并网电流的 MPPT 直接电流 寻优结构，无论外环为何种结构，其本质都是通
收稿日期：2011-03-20 作 者 简 介 ： 张 鹏 (1983-)， 男 ， 助 理 工 程 师 。 研 究 方 向：电力电子应用技术。
过实时采样 PV 阵列的电压电流值来控制并网给 定电流，由电流内环通过各种控制方法及 PWM 调制技术转换成 PWM 脉冲给驱动电路驱动功率 开关器件。因此，光伏并网逆变器电流内环的优 劣直接关系着逆变器的并网性能。区别于一般的 电 压 型 逆 变 器 （ VSC ）， 光 伏 并 网 逆 变 器 为 电 流 控制电压型逆变器，对于电流控制型逆变器设 计，为了提高系统鲁棒性一般采用直接电流控 制 ， dq 解 耦 作 为 一 种 常 用 的 直 接 电 流 控 制 思 想，其基本思路是：在 dq 坐标系中对三相交流 电流进行解耦，得到其有功分量 id 和无功分量 iq 并分别进行控制，因其通过变换后的有功及无功 分量为直流量，常规的 PI 控制器便能得到较好 的控制效果。本文通过实验证明了纯 PI 控制器 用于谐波补偿仍有较大的局限性，进而提出了采 用 PI 控制器并联重复控制器用于光伏并网逆变
其中，r 为周期 Ts=NT 的正弦参考信号，T 为采样周期。e 为误差，N 为一个正弦周期中的 采样拍数，y 为控制器的输出电压，基波周期是 负载扰动 d 的周期的整数倍，传递函数 P(z)代表 控制对象逆变器，滤波器 Q(z)用于改进内模，zN 为周期延迟环节，使控制延迟一个周期起作 用，周期延迟环节的设置使得超前环节可以等效 实现。C(z) =KrZkS(z)为重复控制环路的补偿器， 作用是提供幅值补偿和相位补偿，保证重复控制 系统的稳定性。根据文献[4]提供的重复控制器 设计方法，按照中低频对消、高频衰减的原则进 行控制器参数的选择，以保证系统的稳定性。这 里 的 Q(z) 简 单 的 取 为 0.95 ， 补 偿 器 中 的 Kr=0.92，超前环节 Zk 用来补偿总的相位滞后， 这里选取 z5 来进行相位补偿。
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船电技术|控制技术
L did dt
= −Rid
− ωLiq + usd
− urd
L diq dt
= −Riq
+ ωLid
+ usd
− urd
（5）
式中： urd = Sd ⋅ udc , urq = Sq ⋅ udc 。
由(5)式可见，dq 轴电流除受控制量 urd、urq 的影响外，还受耦合电压−ωLiq、ωLid 扰动和电 网电压 usd、usq 的影响。所以单纯地对 dq 轴之 间的电流作负反馈并没有解除 dq 轴之间的电流 耦合，效果不是很理想。利用状态反馈，可以实 现对 dq 轴电流的解耦。引入状态反馈及电网扰 动电压前馈补偿，可以使系统的动态性能有进一 步地提高。
s(τ ss +1)(τ f s +1)(Ls + R)