三相光伏并网发电系统的设计与控制

三相光伏并网发电系统的设计与控制DesignandControlofThreePhasePVGrid-connectedInverter华中科技大学刘飞陈国强陈昌松段善旭Email:[e-mail]摘要：首先针对三相并网逆变器的LCL滤波进行原理设计，其次建立基于LCL滤波器三相并网逆变器的状态空间数学模型。同时提出了一种基于状态反馈极点配置与重复控制器相结合的并网控制策略。最后给出了仿真波形以及实验结果证明控制策略的可行性。Abstract:Thispapertheoreticallyanalyzedthethree-phaseinverterwithLCLfilter,andestablishedthestate-spacemathematicmodeloftheinverter.ThroughtheanalysisaboutPole-assignmentcontrolandrepetitivecontrol,thispaperdesignedahybridcontrollerincorporatingrepetitivecontrolandstatefeedbackpole-assignmentcontrolbasedonsingle-phaseinverterwithLCLfilter,andtheexperimentprovedthevalidityofthecontroller.关键词：LCL滤波器；光伏并网；极点配置；重复控制Keyword:LCLfilter;photovoltaicgrid-connected;Pole-assignment;Repetitivecontrol1引言随着人们不断地利用开发太阳能，太阳能作为一种新能源越来越受到人们的重视，因此光伏并网发电系统的应用也在世界各国逐渐增多。然而随着相关国际标准使光伏并网逆变器输出的并网电流波形总谐波畸变率（THD）应该小于5％，各次谐波畸变率应小于3％。为了使光伏并网逆变器输出的并网电流满足例如IEEE929、IEC61727还有IEC61000-3-2等相关国际或欧洲标准，对光伏并网发电系统的电路拓扑结构以及控制策略都提出了更高的要求。因此本文采用了基于LCL滤波器的单级式三相并网逆变器的电路拓扑，同时提出了一种极点配置与重复控制相结合的直接电流控制策略，使输出的并网电流的总谐波畸变率以及各次谐波畸变率都满足以上所提的相关国际标准，同时实现并网电流的正弦化，且为单位功率因数.UaUbUcdcvci1LfC2LnCPVidciabc1i2ifCv图1三相光伏并网逆变器的拓扑结构2并网逆变器的状态空间数学模型2.1主电路拓扑如图1所示的三相光伏并网发电系统，并网逆变器由输入直流母线滤波电容C、6个IGBT开关管的三相全桥电路以及1L、fC、2L组成的三阶滤波器。由于LCL滤波器相对传统的单L以及LC滤波器对谐波有更好的衰减特性，因此采用LCL结构的滤波网络实现并网逆变器与电网的连接。2.2基于LCL滤波器单相并网逆变器建模滤波器状态空间模型的具体形式与所选状态变量有关，为了建立采用LCL滤波器的三相并网逆变器的状态空间数学模型，这里选择1L电感电流1ai，1bi，1ci，电容电压caV，cbV，ccV以及并网电流2ai，2bi，2ci为状态变量，根据KVL，KCL定理可以列出a、b、c三相的状态方程为：111111111222222100000001000000010000000100000000100000000100000000110000000110000000110000000abcabccacbccRLLRiLLiRLLiLiiLiLVVCCVCCCC•••••••••−−−−−−=−−−111111222222100000100000100000100000100000100000000000000000000000abcabccacbccLiLiLiiLiiLVVLV−+−−abcsasbscVVVUUU(1)11111111112222221000010001000010100000100000110000110000ccccRLLiLRiLLiiLiiLiiVLVVCCVCCααββααββααββ••••••−−−−=+−−22001000100000000000ssVVULULαβαβ−−(2)将公式(1)经过ABCαβ−变换化简整理后可得在αβ坐标系下的LCL滤波器状态空间方程如公式(2)所示。经过ABCαβ−变换后，三相LCL滤波器的状态空间方程由9阶降低为6阶。但对于常规的逆变器控制来说，采用LCL滤波的三相并网逆变器的状态方程阶数仍然很高，不利于利用现有逆变器控制理论进行控制系统的设计。为了进一步分析采用LCL滤波的三相并网逆变器的控制，对采用LCL滤波单相并网逆变器作进一步分析。首先从单相LCL滤波器可以推得并网输出电流2I同逆变桥输出V以及电网电压SU的关系为：32122122132122121()1()ffffSffIVLLCsLCRsLLsRLCsCRsULLCsLCRsLLsR=+++++++++++(3)由公式(3)可见，这是一个双输入，单输出的三阶线性系统，选取滤波电感1L，并网电感2L电流以及滤波电容电压fCV为状态变量，V,SU作为系统的输入，其中将SU作为系统的一个扰动输入量。画出系统的结构框图如下：11RLs+1fCs21LscIfCVSU1I2I++?+??V图2LCL滤波器控制结构图将SU当成扰动输入时，可以得到并网电流2I与逆变桥输出V之间的传递函数为：23212212123212112121()1fffffIVLLCsLCRsLLsRLLCLLRRsssLLLCLLC=++++=++++(4)若将逆变桥输出V当成扰动，则可以得到电网电压SU与并网电流2I之间的传递函数为：21232122122212123212112121()11ffSfffffLCsCRsIULLCsLCRsLLsRRssLLLLLCLLRRsssLLLCLLC++=++++++=++++(5)3基于极点配置与重复控制相结合的并网控制方案3.1极点配置原理分析由控制理论可知，控制系统的性能主要取决于系统极点在根平面上的分布。因此，作为综合系统性能指标的一种形式，往往是给定一组期望极点，或者根据时域指标转换成一组等价的期望极点。极点配置就是通过选择反馈增益矩阵，将闭环系统的极点恰好配置在根平面上所期望的位置，以获得所希望的动态性能。由于采用LCL滤波器是三阶系统，处理方法是设置两个共轭主导极点,另一个极点配置在距虚轴很远的实轴上。在本系统中，可取S域下配置后系统的理想极点为：2121rrSξωξ=−±−、(6)3rrSmξω=−(7)例如根据表1所示的实际系统参数，rξ取0.6，rω取略小于LCL滤波器的空载谐振频率6616的6600，m取4可得：1239605280Si=−±、315840S=−经过离散化后可得在Z域下系统的理想极点为：1230.60090.33050.2212ZiZ=±=、利用状态反馈计算方法，可得状态反馈系数为：12361.864525.19185.0218KKK==−=所以，采用状态反馈后的系统状态方程为：(1)0.09760.46020.102()(1)0.10620.86020.0845()(1)1.46212.5580.6604()0.01710.0009()0.00090.09()0.02940.1625iiuuccuIkIkIkIkVkVkVkUk+−−+=+−−+−配置后系统的2IV−传递函数为：2'320.00090.00380.0009()1.42310.73620.1041ZZHZZZZ++=−+−-70-65-60-55-50-45-40-35-30Magnitude(dB)102103104105-450-360-270-180-900Phase(deg)图3极点配置后I-V波特图由幅频波特图可以看出，经过极点配置后的逆变器具有很好的幅频特性：在中低频段增益为一个定值，在高频段幅频增益迅速衰减，对高次谐波具有较好的抑止效果。由相频波特图可以看出，在中低频段系统存在着相位误差，因此需要对系统的相位进行补偿，使得系统在中低频段的相位误差为零。由于在开环情况下采用LCL滤波的逆变器特性较差，具有很高的谐振峰值，在中频段具有较大的幅度失真及相位失真。因此利用状态反馈极点配置对逆变器进行极点配置，使得经极点配置后的系统具有较好的幅频特性。处理方法是设置两个共轭主导极点,另一个极点配置在距虚轴很远的实轴上3.2加入重复控制的直接电流控制策略er−+NzzQ−)(Nz−++)(zC)(zP++yduru++图4重复控制系统结构框图重复控制常用于波形校正领域，消除各基波周期中将出现的重复畸变。由此可见，重复控制只对周期性扰动有抑制作用，但对非周期性扰动却无能为力。在并网逆变器的控制器设计中，重复控制器的加入正好能对周期性电网电压的扰动提供很好的抑止，保证并网电流波形的质量。同时，重复控制器还能抑止逆变器运行过程中由于死区效应所产生的周期性谐波扰动，因此重复控制技术可以有效的用于逆变器并网电流的波形控制领域。在实际使用中，重复控制器只须抑制控制对象对原有指令的跟踪误差即可，因此多采用的是如图4所示的“嵌入式”（plug-in）结构框图。它检测原系统的重复性跟踪误差e，然后通过在原有指令上叠加修正量ru来减小这个误差。因此针对LCL滤波器这样的三阶控制系统提出一种基于状态反馈极点配置和重复控制的混合型控制方案。前者致力于改善逆变器动态特性，对其稳态精度不做太高要求；而后者则专门用于保证稳态指标。两种控制方法相互补充，即能满足系统对动态特性的要求，也能满足系统对稳态特性的要求，从而使系统性能得到全面提升。其控制框图如图5所示：1i2ifCv111RsL+1fsC221RsL+invV+-+-SU2i∗重复控制器基于状态反馈极点配置-++-K++-图5完整的并网电流波形控制框图4实验结果为了验证以上分析，根据上述方案设计一台容量为5KVA的三相光伏并网逆变器，采用如图1所示的电路拓扑结构，并网逆变器的实验参数如表1所示。在实验中，由单相整流桥经过不控整流提供220V直流母线电压，输出并网电流指令峰值为4A。为了并网安全，光伏并网逆变器与电网之间通过三相调压器实现低压并网。并网成功后的实验波形如图6所示，A相和B相并网电流相差120o相位角，同时可以看出采用重复控制加极点配置的控制策略，可以很好的实现并网电流波形的控制,并网电流的THD仅为1.435%，同时A相并网电流和电网电压可靠同步，实现了并网电流功率因数为1。表1三相并网逆变器参数滤波电感L15.5mH滤波电感L21mH滤波电容27μF开关频率10.5kHz5结论通过对采用LCL滤波器的三相光伏并网系统地仿真和实验，验证了在αβ坐标变换下基于状态反馈极点配置和重复控制相结合的并网逆变器控制方案能比较好的实现对三相光伏并网系统的并网控制，同时能有效地降低并网电流波