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基于改进型比例谐振控制器的三相四线制光伏发电和有源滤波器系统

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资料介绍

一种基于改进型PR控制器的PV-AF系统控制策略在静止坐标系下对基波逆变电流以及需要补偿的各次谐波电流进行无静差跟踪,将光伏系统的电能注入电网的同时改善电网电能质量.对比分析了PR控制器与改进的PR控制器特性,根据改进PR控制器各参数对性能指标的影响,对改进的PR控制器进行参数设计.仿真和实验结果表明所提的改进PR控制器可以使电流环控制器更好的跟踪指令电流,对电网频率波动具有较好的适应性,验证了所采用的控制策略的可行性和有效性.

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2013年8月

电工技术学报

CHINAELECTROTECHNICAL

V01．28 No．8

第28卷第8期TRANSACTIONSOF

SOCIETY

22222222‘222222222222=================================：============= ：==；兰：==

2013

Aug．

基于改进型比例谐振控制器的三相

光伏发电和有源滤波器系统

四线制

耿乙文1 伍小杰1

周德佳2 徐立华1乔树通3

221008

(1．中国矿业大学信息与电气工程学院徐州

2．海军装备研究院北京

100161

3．上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室上海 200240)

摘要

一种基于改进型PR控制器的PV-AF系统控制策略在静止坐标系下对基波逆变电流以

及需要补偿的各次谐波电流进行无静差跟踪，将光伏系统的电能注入电网的同时改善电网电能质

量。对比分析了PR控制器与改进的PR控制器特性，根据改进PR控制器各参数对性能指标的影

响，对改进的PR控制器进行参数设计。仿真和实验结果表明所提的改进PR控制器可以使电流环

控制器更好的跟踪指令电流，对电网频率波动具有较好的适应性，验证了所采用的控制策略的可

行性和有效性。

关键词：四桥臂并网逆变器比例谐振控制谐波补偿频率波动

中图分类号：TM 615

Research on Three PhaseFourWire PV_AF

Based On

System

Resonant Controllers

Proportional

Improved

—

Yiwell¹Wu

XiaD，iel Zhon

and

Technology

Xu Lihual

Geng

De／ia2

(1．China

Xuzhou

008 China

University

Mining

Academeof

District

1 6l China

2．Navy

Armament。Fengtai

Beijing

of Control of

Power Transmission and

Jiao

Tong

3．Key Laboratory

Transformation(Shanghai

200240 China)

Shanghai

of Education

University)，Ministry

Abstract

For

four-wire

and active

three—phase

PV-AF(photovoltaic power generation

filter)

control

based on

system，a

strategy

proportional resonant(PR)controller

track fundamental current and

adopted ^to

proposed．Improved

frequency component

controllers in

are

different

parallel

harmonic current to obtain zero

error．With

^thepower

steady-state

photovoltaic system injecting，the

current is

of PR controller and

improved

PR controller are

quality

grid

improved．The performance

the effect of

ofPRon

control

are

compared．After analyzing

every parameter

performance，the parameters

simulation and

results indicate that the current

controller can be

inner—loop

designed．The

experiment

better

and track reference

the

current，which verify

adapted ^{to the fluctuation of}grid frequency

validity

andeffectiveness ofthe

control

strategy．

employed

resonant

Keywords： Four-leg grid—connected inverters，proportional

control，harmonic

fluctuation

compensation，frequency

收稿日期2013．02．21

改稿日期2013—03—20

万方数据

143

第28卷第8期

耿乙文等基于改进型比例谐振控制器的三相四线制光伏发电和有源滤波器系统

负载电流谐波，减小并网电流的谐波畸变率，改善

电网电能质量。

引言

光伏发电能有效缓解能源危机和减少环境污染

。为实现并网发电，光伏发电系统需通过配合容

量适合的逆变器连接到公共电网上[2】。在城市、民

用住宅等三相四线制供电系统中，负载多具有非线

性的特点[31，三相四桥臂有源电力滤波器(APF)可

以有效补偿并联型负载产生的谐波和解决三相不平

衡问题[4,51。由于具有相似的拓扑结构，将有源电力

滤波功能和无功补偿功能引入到光伏并网逆变器中，

避免使用APF时的硬件成本，同时解决了光伏并网

发电逆变器由于昼夜、天气阴晴变化导致其利用率

低的问题，改善电网电能质量【6。111。对于并网逆变器

及有源电力滤波器而言，电流跟踪控制环节是其关

Pv_AF系统控制策略研究

2．1

系统控制策略

PV-AF系统常用双闭环控制策略如图1所示。

无论电流环采用静止坐标系下控制策略还是旋

转坐标系下控制策略，电压外环一般采用PI控制器

对光伏逆变器的直流侧电压加以控制。太阳电池阵

列的伏安特性具有强烈的非线性，其随日照强度和

结温而变化，对于太阳电池阵列不同的输出电压，

其输出功率的极值是唯一的，且该极值也是最大值

[161。采用合理有效的最大功率点跟踪(Maximal

Power Point

Tracking，MPPT)控制策略，得到使得

2。。

键环节之一【l

当前太阳能光伏阵列以最大功率输出的电压值，该

值作为光伏逆变器电压控制环的参考值。电压环得

到的输出值即为光伏系统最大功率条件下的电流指

令。

文献[6]率先将无功补偿思想引入到光伏并网系

统中，其电流环采用易于实现的滞环控制。文献[7]

以三相三线系统为研究对象，电流环沿用滞环控制

策略，文献[8，9】对具有有源滤波功能的三相四线光

伏并网系统进行了详细分析，电流环同样采用滞环

控制策略。然而，采用滞环控制时开关频率随电流

变化率变化而变动，给网侧滤波电感的设计带来困

难，增大了功率模块应力和开关损耗。文献[101中电

流环采用比例控制器，此方法使得输出电流不能完

全无静差跟随指令电流；文献[11]电流环在旋转坐标

系下采用PI控制器，该方法需要复杂的坐标变换，

另外，如果指令电流中包含谐波分量和不平衡分量，

在旋转坐标系下表现为波动量，PI控制器不能实现

对指令电流无静差跟随。

图1系统控制策略

近年来，有学者提出了针对正弦信号的PR控

Control

system

Fig．1

strategy

制器【l

31，其控制效果与同步坐标系下的PI控制器相

2．2

比例谐振控制器的研究

在直流控制系统中，采用PI控制器Gpi(s)可以

比，能无稳态误差地跟踪特定频率的正弦信号。文

献[14】将PR控制应用在四桥臂有源电力滤波器中，

改善了有源滤波器的谐波抑制效果；文献[15】将PR

控制应用在并网逆变器中，提高了逆变器的动态性

能及抗干扰能力。

实现跟踪直流信号％c(s)零稳态误差，传函分别为

(1)

HDc(S)=二

本文将改进型PR控制器应用到具有有源滤波

(2)

GPI(s)：Kp+一KI

Power

功能的光伏并网逆变器(Photovoltaic

对于交流信号巩c(s)，可以利用与同步旋转坐

标系下PI控制器等效的PR控制器得到相同的控制

效果‘17,181，其传递分别为

Generation and Active

Filter，PV-AF)系统中，对比

PI控制器与PR控制器的跟踪性能；对PR控制器和

改进的PR控制器特性进行对比，分析了改进PR控

制器各参数对控制性能指标的影响，以控制器的跟

随性能和系统稳定性为依据，对改进型PR控制器进

行了参数设计。通过改进型PR控制器以期达到在跟

踪正弦基波电流给定的同时，补偿所检测到的并联

HAc(s)=—^

S‘+斌

=互1。H。c(J+jmo)+日。c(J—j‰ )](3)

万方数据

144

电工技术学报

2013年8月

见式(5)。

GpR(s)=爿GPl0+j‰ )+GPl(s—j‰ )l

(5)

GpR(s)=Kp+再2丽KiCOc孺S

(4)

：Kp+孚

S‘+蝣

式中，∞。为截止频率。

式中，∞。为谐振频率。

对比式(4)和式(5)可知，改进型PR控制器

在角频率∞。处，PR控制器增益为无穷大，可

以实现跟踪正弦信号无稳态误差，类似于积分控制

器，后者在OHz处增益无穷大。

在角频率∞o处的增益由无穷大变为2019(Kp+KI)，同

时带宽有所增加。尽管改进的PR控制器在∞。处的

增益不再保持无穷大，但是通过合理设计改进的PR

控制器参数，可以实现保持高增益的同时，增加跟

采用PI控制器则需要通过坐标变换将采集到的

踪频率的带宽。不同∞。频率特性如图3所示。由图

3可知，改进型PR控制器与PR控制器相比，跟踪

频率的带宽明显增大，并且CO。越大，带宽越大，∞。

对谐振频率处的增益没有影响。

物理量经Clarke变换和Park变换变换到dq0坐标系

下，然后对电流指令进行跟踪控制，如果采用并联

的PR控制器，则可直接在静止坐标系下对指令电流

进行跟踪控制。PV-AF系统电流环在静止坐标系下

采用改进型PR控制器，减少了到旋转坐标系下繁杂

的数据变换，避免了在旋转坐标系下的交叉耦合项，

并且谐波电流在旋转坐标系下表现为波动量，PI控

制器无法实现无静差跟随。电流环采用PI控制器和

PR控制器控制框图如图2所示，由于采用PR控制

器没有交叉耦合相，三个坐标轴下控制策略完全对

称，仅以伐轴为例对系统电流内环进行分析。

reqLIt211C}IH／l

图3∞，对PR控制器的频率特性的影响

controller for variation

Frequency response

Fig．3

∞c

2．3控制器参数设计

PR控制器的每个参数都会对控制器性能指标

产生影响。改进型PR控制器在角频率09。处的增益

为2019(Kp+KI)。所以对于局以及比例环节琊而言，

K．越大，控制器在谐振频率处及其附近的增益会增

大，振频率处的带宽度也越宽；廓越大，显然在谐

振频率处的带宽度越宽，同时控制器整体增益也会

增大。但绵和蜀对相位幅值的影响是相反的，郧

越大，控制器相位幅值越小；而硒越大，控制器相

位幅值越大。

a)Pl控制

在控制器参数设计过程中，应当兼顾系统的响

应速度和稳定裕度。截止频率∞。主要影响控制器在

谐振频率处的频带宽度，比例系数琊和积分系数

K．对控制器增益和相位幅值影响明显，所以调节比

例增益和积分增益来满足稳定性、稳态性能和动态

性能；调节截止频率来抑制频率波动给PV-AF系统

带来的扰动。

图2 电流环控制策略框图

Block

of current control

diagram

Fig．2

电网系统允许的正弦基波频率波动范围为

士0．5Hz，谐波频率波动范围是基波整数倍，所以谐

波次数越大，其频率波动范围就越大。PV-AF系统

不仅要跟随正弦基波分量，还要对检测到的并联负

载电流谐波分量进行补偿。为了使控制器对电网频

率波动有较好的适应性，采用改进型PR控制器【1引

以0L轴为例对系统电流内环进行分析，针对跟随

基频的PR控制器，电流环闭环控制框图如图2b所

万方数据

145

第28卷第8期

耿乙文等基于改进型比例谐振控制器的三相四线制光伏发电和有源滤波器系统

控制器的参数设计必须兼顾系统的响应速度、

跟随性以及稳定裕度。根据以上分析，以足够的稳

定裕度为条件，对控制器参数进行初步选择，然后

逐步优化。选择比例系数KP=50，积分系数KI=100。

考虑到高频信号的频率波动相对较大，跟随不同频

率正弦信号的改进型PR控制器截止频率选择不同

的值，跟随基频的控制器截止频率取∞。=5，n次谐

波的跟随频率取为门。

示。i。与f。+分别表示实际的电流指令与逆变电流指

令信号在ap丫坐标系下的仪轴分量，G，R(s)为改进型

PR控制器传递函数，GPWM(J)为SVPWM环节传递

函数，郧wM为该环节等效增益，其值取1，1．5只为

信号采样以及SVPWM环节的等效延时，Go(s)为被

控对象四桥臂逆变器的传递函数。

由图2b可得逆变器输出电流

；

GPR(s)GpWM(s)Go(5)；·

2．4

PR控制器的数字实现

“I+GpR(S)GPWM(S)Go(s)“

旧’

在控制器离散化的过程中，采用双线性变换可

鱼盟

1+GPR(s)GPwM(s)Go(J)“

巳

以在低频段使S域与z域保持较好的线性关系。对

于需要补偿的谐波电流而言，其中含有多种频率较

高的谐波成分，相应的PR控制器的谐振频率也较高，

而双线性变换在高频段频率畸变较大。为保证离散

化后谐振频率不变，可以使用预修正的双线性变换，

以保证在关键频率上幅相特性相同。双线性变换以

GPwM(J)与Go(s)中参数由系统决定，通过合理设

计PR控制器参数，若可以实现在谐振频率处

GPR(s)GPwM(s)Go(s)的增益远大于1，则式(6)中等

式右端第一项近似为l，第二项近似为0。

假设主电路进线电感L=4mH，其等效电阻

R=0．3Q，采样周期Ts=2x10-4S，对电流环闭环传递

函数采用指定转折频率的双线性变换进行离散化。

以比例系数绵和积分系数局为变量得到电流环闭

环传递函数的零极点分布情况如图4所示。从图中

可以看出，局保持不变时，琊增大，决定系统稳定

性的极点位置从单位圆内由里向外移动，同时削弱

及预修正的双线性变换如下：

，t

仁三型

7，)J

C=一一

z+1

缈

tan(O．5∞?：)Z+1

式中，疋为采样周期；∞为需修正的谐振频率。

局对系统稳定性的影响。因而增大比例系数瞄有助

于增加系统的响应速度，有助于采用较大的蜀值以

获得更好的跟随效果，但稳定裕度会下降。郧保持

不变时，局增大，决定系统稳定性的极点位置从单

位圆内由里向外移动，尤其是在岛较小时，系统稳

定性随蜀的增大急剧恶化。尽管增大K。可以获得更

好的跟随效果，但是系统的稳定裕度会下降。

预修正的双线性变换与双线性变换相比，以修

正系数og／tan(ogTJ2)代替了原来的系数2ITs，从而可

保证控制器在谐振频率∞处幅值相等，使得PR控

制器能更加精确的跟踪正弦信号。

将式(8)带入式(5)，得z域下PR控制器的

传递函数

GpR(Z)-筹

C2+20JcC+础2

其中旷瓦2瓣KicacC+Kr，

(c2—2co。C+砰)砩一2Ki魄c

，

岛5瓦2q瓣2-2C2．如2瓦C2-丽2aJcC+COl2．

竺

C：

tan(蜗／2)。

一11

『J

¨ j

Real A、h

令z，(七)为PR控制器的输入信号，y(D为PR控

制器的输出信号，得到PR控制器对应的差分方程为

图4

不同的琊和足，条件下闭环传函零极点分布图

transfer function

Fig．4

Close-loop

pole· zero diagrams

y(k)=aou(k)+aIu(k一1)+a2u(k一2)

based on different

and

(10)

一bty(k一1)一b2Y(k一2)

万方数据

146

2013年8月

电工技术学报

仿真分析

偿后电网A相电压及注入电网电流波形，显然

PV-AF系统以单位功率因数向电网注入电能，A相

注入电网电流的THD为3．16％。对B相和C相进行

分析，补偿前THD分别为14．82％和13．99％，补偿

后THD分别为3．28％和2．96％。注入电网的三相电

流对称，畸变率较小，各次谐波含量也均满足并网

标准要求。

本文采用Matlab／Simulink仿真软件对基于PR

控制的四桥臂PV-AF系统进行仿真分析。仿真过程

中主要验证电压外环和电流内环的控制性能。所设

计系统功率等级较低，为了使谐波补偿功能有更好

的效果，光伏阵列输出电压采用恒压法，负载为三

相不可控整流器并联三相阻性负载。谐波检测环节

采用瞬时无功功率法，采用静止坐标系下

3D—SVPWM调制策略生成8路IGBT触发脉冲。系

统仿真参数见下表。

为了检验改进型PR控制器对频率波动的适应

性，仿真过程中，在0．4s时令电网电压频率由50Hz

减小为49．6Hz，仿真结果如图6所示。电网频率变

化前后注入电网电流THD分别为3．16％和3．32％，

并且以单位功率因数向电网注入能量，说明对谐波

的补偿能力未受影响，电流环控制器跟踪性能和适

应性良好。

表PV-AF仿真模型参数

Tab．Parameters of PV-AF simulation model

参数

数值

140

光伏电池板开路电压／v

交流侧电压／v

15(RMS)，50Hz

110

直流侧电压／v

PV-AF进线电感／mH

进线电感等效电阻／Q

不可控整流器负载电阻／Q

三相对称负载电阻，Q

采样频率／kHz

0．3

图6 频率波动对跟踪性能的影响

The effect of

while

frequency

Fig．6

tracking performance

fluctuations

开关频率／kHz

以上仿真结果说明了，所涉及的PVoAF系统可

仿真系统本地负载采用三相阻性负载与三相不

控整流负载并联，未加谐波补偿功能时A相电压以

及注入电网电流波形如图5a所示，从图中可以看出，

电流波形有明显畸变。对A相电流进行频谱分析，

其总的谐波畸变率(THD)为14．71％。图5b为补

以将光伏电池的直流能量注入三相交流电网。所设

计的改进型PR控制器有较好地跟踪效果，而且鲁棒

性强，对频率波动均有良好的适应性。

4实验结果

为了验证所采用控制策略的可行性和优越性，

本文在10kV· A三相四线制四桥臂PV-AF实验平台

上进行了实验研究。采用TI公司TMS320F2812型

DSP作为系统控制器。

首先针对谐波指令电流跟踪效果对比PI控制器

与PR控制器跟踪性能。在dq0坐标系下，电流环采

用PI控制器进行控制。以d轴为例，DSP芯片中电

流环的指令值及反馈值经D．A输出，如图7a所示。

从图7a中可以看出谐波分量在d轴表现为波动量，

采用PI控制器跟踪指令电流有明显静差。在交流坐

标系下，谐波电流采用改进的PR控制器进行跟踪，

电流环的指令值及反馈值经D．A输出如图7b所示。

从图7b中可以看出改进的PR控制器跟踪效果明显

优于旋转坐标系下的PI控制器，更有利于无静差跟

踪谐波电流，更加精确的补偿并联负载谐波电流。

t／s

(a)补偿前电压电流波形

，／s

(b)补偿后电压电流波形

图5 电网电压电流波形

Waveforms of

and current

grid voltage

Fig．5

万方数据

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