傳統(tǒng)PI瞬時值控制具有結(jié)構(gòu)簡單、控制參數(shù)易于整定，應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，但在靜止坐標系下存在著穩(wěn)態(tài)誤差，造成并網(wǎng)電流的諧波增大、魯棒性小等不足。本文從傳統(tǒng)PI控制原理出發(fā)，提出了一種比例諧振控制方法并進行了深入的研究。通過MATLAB仿真驗證，結(jié)果表明該方法能有效改善電流波形，在靜止坐標系下實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制，提高系統(tǒng)的魯棒性及并網(wǎng)運行效率。
加速開發(fā)利用以太陽能等可再生能源，是解決當(dāng)前能源問題的有效途徑。光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標是：提高逆變器輸出電流的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。要達到這些目標，一方面要合理設(shè)計主電路，另一方面要合理設(shè)計控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)是并網(wǎng)逆變器功能實現(xiàn)的核心，與上述性能指標息息相關(guān)。
目前，光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法有很多，如滯環(huán)比較控制、PI控制、無差拍控制、重復(fù)控制和模糊控制等。本文從常規(guī)的PI瞬時值比較控制方法出發(fā)，提出了一種比例諧振控制器，并進行了深入的研究。結(jié)果表明該方法能在靜止坐標系下跟蹤參考電流實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制，有效改善并網(wǎng)電流波形。
1 傳統(tǒng)PI瞬時值控制原理
可見，這是一個有限值，系統(tǒng)存在零穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)光伏并網(wǎng)逆變器接入電網(wǎng)，相位誤差會降低功率因數(shù)和抗干擾能力，一般需要電網(wǎng)前饋補償。但電網(wǎng)前饋補償卻存在局限性：
⑴前饋控制的目標是抵消電網(wǎng)電壓，這依賴于交流電壓幅值和相位的準確檢測和反饋檢測，以及交流電壓和并網(wǎng)逆變器輸入直流電壓的檢測精度。
⑵前饋控制僅僅能減小電網(wǎng)電壓引起的穩(wěn)態(tài)誤差，不能改變電流反饋PI控制所存在的開環(huán)增益受限問題。因而，對于系統(tǒng)本身跟蹤給定量的穩(wěn)態(tài)誤差和逆變器開關(guān)死區(qū)時間引起的電流諧波等問題沒有作用。
在基波角頻率ω0之前PI控制器的幅值增益很高，并且隨著角頻率的的增加，幅值增益逐漸減小。當(dāng)角頻率增加到基波角頻率及以上時，幅值增益保持不變。可見，在整個頻率范圍內(nèi)幅值增益都是某個有限值，將系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差。
2 比例諧振控制原理
為了實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差一般利用abc-dq坐標變換，在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，將正弦參考信號變成直流信號，使PI控制做到零穩(wěn)態(tài)誤差控制。這種情況下，PI控制器雖然滿足了無靜差控制，但是增加了繁瑣的abc-dq坐標變換的算法過程，使得控制器的設(shè)計復(fù)雜化。為此，本文提出了PR控制器。PR控制器可以在靜止坐標系下跟蹤參考電流實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制，簡化了控制器的設(shè)計。
PR控制器由比例調(diào)節(jié)器和諧振調(diào)節(jié)器組成，其傳遞函數(shù)如下：
由公式（4）可以看出，這個值是無窮大。因此，PR控制器可以實現(xiàn)系統(tǒng)的零穩(wěn)態(tài)誤差，同時具有抗電網(wǎng)電壓干擾的能力。
從PR控制系統(tǒng)原理框圖中可以看出：將檢測得到的三相交流電流轉(zhuǎn)化到兩相靜止坐標系下，與給定信號的偏差作為PR控制器的輸入，PR控制器的輸出為電壓控制指令，該指令電壓轉(zhuǎn)換成三相交流指令電壓后，被送入PWM調(diào)制單元生成PWM信號送到并網(wǎng)逆變器，從而控制功率器件的開斷，產(chǎn)生實際所需的交流電壓，并使并網(wǎng)電流跟隨參考值變化。PR控制器的優(yōu)點如下：
（1） 省去了電流及電壓指令的坐標旋轉(zhuǎn)變換；
（2） 省去了耦合項和前饋補償項；
（3） 消除了電網(wǎng)電壓對系統(tǒng)控制的影響；
（4） 減小了控制算法的實現(xiàn)難度，提高了系統(tǒng)魯棒性。
以kp=2，kr=100，ω0=50*2π=100 rad/s時PR控制器的伯德圖中可以看出，在角頻率ω0周圍相當(dāng)窄的頻率帶對應(yīng)的幅值增益遠高于其他頻率處的幅值增益。也就是說比例諧振控制器在工頻50Hz頻率處引入了一個無限大增益使系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差為零。這樣只需設(shè)置ω0為電網(wǎng)電壓的基波角頻率即可對并網(wǎng)電流進行控制。
3 仿真研究
按照上述設(shè)計，在Matlab/Simulink平臺上搭建光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)仿真模型，并分別針對PI和PR兩種控制方案進行了仿真。主要參數(shù)為：光伏電池模型輸出直流電壓Udc=300V，輸出額定功率P=900W；電網(wǎng)額定電壓為220V，額定頻率為50Hz；直流母線穩(wěn)壓電容為3300μF，濾波電感為1.34mH，濾波電容為8μF；工頻變壓器采用Δ/Yn接法，變比為120/380V；開關(guān)頻率為9600Hz。
從電網(wǎng)相電壓和并網(wǎng)相電流波形中可以看出，并網(wǎng)電流波形能很好地跟隨電網(wǎng)電壓波形，與電網(wǎng)電壓同頻同相，實現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器輸出電流正弦和功率因數(shù)調(diào)節(jié)的控制任務(wù)。從PI和PR控制下并網(wǎng)電流的FFT分析圖，比較可以看出，PR控制方案的并網(wǎng)電流波形質(zhì)量較高，其總諧波畸變率THD=1.76%，滿足電能質(zhì)量要求。
PI和PR控制下并網(wǎng)電流跟蹤參考指令仿真波形圖中可以看出，在采用PI控制法案時，并網(wǎng)逆變器輸出的并網(wǎng)電流在跟蹤參考信號時存在穩(wěn)態(tài)誤差；采用PR控制方案時，并網(wǎng)逆變器輸出的并網(wǎng)電流在跟蹤參考信號時幾乎不存在穩(wěn)態(tài)誤差，跟蹤效果較好。
4結(jié)論
本文針對三相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，提出了一種有效的并網(wǎng)電流PR控制方案。即將檢測到的三相交流電流變換到兩相靜止坐標系下，將與給定電流信號的偏差作為PR控制器的輸入，再將PR控制器的輸出轉(zhuǎn)換成三相交流電壓PWM控制信號，以此控制并網(wǎng)逆變器中功率器件的開斷，使并網(wǎng)電流跟隨參考值變化。該方法能有效改善電流波形，在靜止坐標系下實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制，提高系統(tǒng)的魯棒性及并網(wǎng)運行效率。通過仿真分析，驗證了該方法的正確性和有效性。
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