光伏并网逆变器PID控制算法

 光伏并网逆变器PID控制算法研究Researchondual-loopcontroltechnologyforPWMInverters何俊，彭力，康勇（华中科技大学电气与电子工程学院，湖北，武汉）摘要：分析比较了单相PWM逆变器电感电流内环电压外环和电容电流内环电压外环两种双环控制方式，重点研究了电容电流内环电压外环双环控制。依据电流内环所采用调节器的不同，分别讨论了电流内环采用P调节器、电压外环为PI调节器和电流内环、电压外环均为PI调节器两种双环控制方式。采用极点配置的方法设计控制器参数，仿真和实验结果表明以上两种双环控制方式均能达到较好的动、静态特性。此文章可以做光伏逆变器控制算法的参考，欢迎大家相互交流和学习。邮箱[e-mail]  Abstract：Thevoltageandcurrentdualloopcontrolsystemisdividedintoinductorcurrentfeedbackandcapacitorcurrentfeedback.Bothofthemareanalysedandomparedinthepaper.Dependingonthedifferenceofcontrollerforthecurrentloop,thedualloopcontrolisclassifiedintotwomethods:currentloopusingPcontrollerwithvoltageloopusingPIcontrollerandbothcurrentloopandvoltageloopusingPIcontroller.Controllerparametersaredesignedbasedonpoleassignmenttechnique.Simulinkandexperimentresultsdemonstratedthatbothoftwoschemescouldachievegooddynamicandstaticperformance.关键词：PWM逆变器双环控制极点配置Keywords:PWMinverter,dual-loopcontrol,poleassignment1引言于电感电流内环对负载扰动的抑制作用较差，瞬时控制方案可以在运行过程中实时地尤其是在非线性负载时输出波形很不理想，所调控输出电压波形，使得供电质量大大提高。以本文采用电容电流内环电压外环控制方案。文献研究表明电压外环电流内环的双环控制本文中的逆变器双闭环控制结构由外环电压方案是高性能逆变电源波形控制的发展方向调节器和内环电流调节器组成。外环电压调节之一[1-3]，双环控制方案的电流内环扩大逆变器一般采用PI调节器，内环电流调节器可以器控制系统的带宽，使得逆变器动态响应加采用PI调节器或P调节器。采用极点配置方快，输出电压的谐波含量减小，非线性负载适法设计系统控制器参数，通过仿真和实验对以应能力加强。目前，这种基于电流内环的电压上两种双环控制方案进行了分析和比较。源逆变器波形控制技术越来越得到广泛的应用。2逆变器及控制系统模型PWM逆变器双环控制方案分为电感电流内本文采用单相全桥逆变器为控制对象，其环电压外环和电容电流内环电压外环两种,由主电路原理图如图1所示：图中E为直流母线电压，u1为逆变桥输出电压，u0为逆变器输出电压，il为滤波电感电流，ic为滤波电容电流，i0为负载电流，r为考虑滤波电感L的等效串联电阻、死区效应、开关管导通压降、线路电阻等逆变器中各种阻尼因素的综合等效电阻。ELCRr0uaboiT1T2T3T4lulici图1单相全桥逆变电路对于单相逆变器这样一个双输入、单输出的二阶系统，选择电容电压u0和电感电流i1作为状态变量，可得状态空间表达式如下：0010111100110uuCuiCiirLLL−=++−−&&（1）[]=1001iuy（2）PWM逆变器的电压电流双环控制分为两类：电感电流内环电压外环控制和电容电流内环电压外环控制。对于电感电流内环控制，由于负载电流i0作为逆变器的外部扰动信号处在电感电流环之外，控制系统不能很好的抑制负载扰动，动态性能不理想。电容电流内环电压外环控制系统动态性能好，抗负载扰动性能强。PWM逆变器电容电流内环电压外环双环控制系统框图如图2所示：图2控制系统方框图电压给定信号ur与输出电压反馈信号u0比较得到电压误差，经过电压调节器Gv产生电流给定信号uir，uir与电容电流反馈信号ic比较而得的电流误差信号经过电流调节器Gi形成控制量u1，对逆变器实施控制。3控制器设计、仿真和实验3.1电流内环采用PI调节器在该双环控制方案中，电流内环采用PI调节器，简称双环PI-PI控制系统。其中电流调节器Gi的比例环节用来增加逆变器的阻尼系数，使整个系统工作稳定，并保证有很强的鲁棒性；电流调节器的积分环节用来减少电流环稳态误差；电压外环也采用PI调节器，电压调节器GV的作用是使得输出电压波形瞬时跟踪给定值。这种电流内环电压外环双环控制的动态响应速度十分快，且静态误差很小[4-5]。电压和电流调节器分别为：skksGipv11)(+=（3）skksGipi22)(+=（4）可得到该控制系统的传递函数：2112200()()()()()()()()pipirkskkskssLrUsUsIsLCDSLCDS+++=−()()()()urriooGsUsGsIs=−（5）系统输出传函中的前一部分()urGs体现了控制系统输出对正弦电压给定ru的跟踪性能，而后一部分()ioGs体现了负载电流对控制系统输出的扰动特性，即系统等效输出阻抗。其中控制系统特征方程为：21224321()pppirCCkkkCkDssssLCLC+++=+++122112pipiiikkkkkksLCLC++（6）对上述系统按极点配置方法设计控制器参数。双环控制系统的控制器参数按常规方法设计，需考虑两个调节器之间的响应速度、频带宽度的相互影响与协调，控制器设计步骤复杂，还需要反复试凑验证；采用极点配置方法大大简化了设计过程，同时能满足高性能指标要求，这种设计方法具有明显的优越性。针对一台单相PWM逆变器进行双环控制器设计，逆变器的主要参数如下：额定输出电压Uor=220V（rms），额定频率f=50Hz，额定输出功率Po=11kW，额定功率因数cosφ=0.8，输出滤波电感L=0.43mH，输出滤波电容C=140μF，等效阻尼电阻r=0.1Ω，PWM开关频率fsw=10kHz。取期望阻尼比ζr=0.8，期望自然频率ωr=2500，可得：11964.53()0.5974ivpkGskss=+=+（7）22156040()18.82iipkGskss=+=+（8）由图2可得电流内环的开环和闭环传函：1)()(222+++=rCsLCskskCsGipiop（9）22222()()()1piiclpiCkskGsLCsrCCksCk+=++++（10）利用电流内环闭环传函推导出电压外环的开环传函：11222222()(s+)()[LC(r)1]pipiuoppikskkkGssskCsCk+=++++（11）电压外环的闭环传函和系统的输出阻抗即式（5）中的()urGs和()ioGs。可得如图3~图5所示的双环控制系统的频率响应特性：（a）开环频率特性（b）闭环频率特性图3电流内环频率特性图3(a)表明电流调节器使得电流内环的相角裕度接近800，稳定性较高；图3(b)表明电流内环带宽较宽，响应速度非常快；图4(a)显示电压外环相角裕度超过600，幅值裕度非常大；图4(b)表明双环控制系统基波闭环增益接近1，系统稳态性能非常好；图5表明负载扰动在各个频段都有较大衰减，系统具有很强的负载扰动抑制能力。（a）开环频率特性（b）闭环频率特性图4电压外环频率特性图5输出阻抗频率特性(a)额定功率阻性负载(b)额定功率阻感性负载图6逆变器双环PI-PI控制系统负载突变响应(100V/div,100A/div,0.01s/div)(a)电流峰值达额定峰值(b)电流有效值达额定有效值图7逆变器双环PI-PI控制系统非线性负载响应波形（100V/div,100A/div,0.01s/div）对逆变器双环PI-PI控制系统进行仿真：图6为逆变器双环控制系统在负载满功率突变时的动态响应情况，电压变化量不超过8.9%，调节时间不超过0.5ms，可见动态响应快，输出电压变化较小。图7为逆变器双环控制系统在非线性负载条件下输出电压、电流波形，图7(a)为非线性负载电流峰值超过逆变器额定负载电流峰值时的波形，电流峰值I0p=79.6A，波峰因子WCF=3.35，输出电压THD=0.54%。图7(b)为非线性负载电流有效值超过逆变器额定负载电流有效值时的波形，电流峰值I0p=172.8A，电流波峰因子WCF=3.31，输出电压THD=0.71%。可见电容电流内环和电压外环均采用PI调节器时双环控制逆变器从频率响应特性和仿真结果均反映了其优越的动、静态特性。实验装置为IGBT单相全桥逆变器，逆变器参数如下：输出额定电压Uor=220V（RMS），输出额定电流Ior=50A（RMS），滤波电感L=0.43mH，滤波电容C=140μF，实测阻尼电阻r=0.1。实际应用时为了避免纯积分环节引起的饱和问题，积分环节用一个大惯性环节代替，这样低频增益变为有限值，转折频率以上增益保持不变。图8显示了逆变器双环控制系统阻性满载（50A）时的输出波形，输出电压THD=0.419%；图8阻性满载时电压电流波形及THD（90V/div50A/div10ms/div）(a)WCF=3.2(b)WCF=4.9图9非线性负载时电压电流波形及THD（90V/div50A/div10ms/div）图10突加68%额定负载时响应波形及局部放大图（90V/div20A/div10ms/div）图9显示双环控制逆变器带非线性负载峰值达到额定负载电流峰值时的响应波形：图9(a)为负载电流峰值I0p=71A，电流波峰因子=3.2，输出电压THD=0.531%；图9(b)为负载电流峰值I0p=76A，电流波峰因子=4.9，输出电压THD=0.605%。可见在额定输出、负载电流波峰因子超过3的情况下，输出电压THD较低，逆变器双环控制系统表现出对非线性负载引起的波形失真具有较强的抑制能力。图10显示了逆变器突加68%额定负载（34A）时的输出波形及突加时刻局部放大图。动态过渡过程约为0.6ms，输出电压变化率约为7.6%，负载适应性强。表1显示了双环控制逆变器稳态输出电压测试数据，其中稳压精度等于实际输出电压与额定电压之差占额定电压的百分比，不同负载情况下稳压精度均在0.2%内，稳态误差非常小。表1逆变器稳态输出电压测试数据负载电流空载10A23A34A43A54A输出电压219.6V219.9V220.0V220.1V220.1V219.8V稳压精度-0.18%-0.05%00.05%0.05%-0.09%3.2电流内环采用P调节器在此双环控制方案中，电流内环采用P调节器，简称双环PI-P控制系统。电流内环的P调节器增加了系统的阻尼系数，电压外环的PI调节器维持输出电压恒定，两个调节器共同作用使得闭环系统工作稳定。设电压、电流调节器分别为：11()ivpKGsKs=+（12）2()ipGsK=（13）由图2可以推导出其闭环传递函数为：121200()()()()()()ppiprKKsKKLsrsUsUsIsDsDs++=−()()()()urriooGsUsGsIs=−（14）上式中()urGs和()ioGs的定义与3.1节中定义类似。其中闭环特征方程为：3221212()()(1)pppipDsLCsrKCsKKsKK=+++++（15）同样采用极点配置方法设计控制器。以上节中的逆变器为被控对象，取与双环PI-PI控制系统相同的期望阻尼比ζ=0.8，自然频率