【正文】 從上式中可以發(fā)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）30第 4 章 電網(wǎng)波動下并網(wǎng)逆變器控制 控制方案的建立首先分析電網(wǎng)電壓波動對并網(wǎng)逆變控制器的影響，電網(wǎng)的周期性擾動和諧波會導(dǎo)致光伏并網(wǎng)逆變電流產(chǎn)生畸變，從而降低電網(wǎng)電能質(zhì)量，并影響并網(wǎng)饋能的功率因素。增加 PI 調(diào)節(jié)可以改善系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻特性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，也能提高系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的幅值裕度。從控制原理來看，系統(tǒng)增加 PI 控制器相當于在系統(tǒng)中增加一個位于原點的開環(huán)極點，同時也增加一負實數(shù)開環(huán)零點。PI 調(diào)節(jié)器相比 P 調(diào)節(jié)器增加了積分環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)主要是用來減少一定的靜態(tài)誤差，Ki 的值反映了積分作用的大小，其值越大，系統(tǒng)的積分作用就越大，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量就越小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度就越慢。所以電流控制環(huán)節(jié)只加一個比例環(huán)節(jié)是不行的。但是實際上加個比例控制器，同時也增強了并網(wǎng)電流的脈動，其誤差信號也相應(yīng)的增加。給定信號和輸出信號也始終存在著相位和幅值的誤差，影響并網(wǎng)的質(zhì)量。這就需要補償環(huán)節(jié)進行補償調(diào)節(jié)。P II _ r e fi _ c _ r e fs i n w tK p + K i / sK p w m / ( T s + 1 )++電網(wǎng)電流檢測i _ c電網(wǎng)U d cU d c _ r e f電網(wǎng)同步信號圖 316 并網(wǎng)逆變系統(tǒng)控制框圖根據(jù)常用的并網(wǎng)系統(tǒng)模型建立方法，可以得到并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器電流跟蹤系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如圖 317 所示。常見的并網(wǎng)逆變側(cè)電路可見下圖 312。 逆變器調(diào)節(jié)原理分析對于并網(wǎng)逆變器，我們一般用電流電壓雙閉環(huán)控制方法實現(xiàn)逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位。依據(jù)所要求達到的效果和實際情況，選擇合適的控制策略及實現(xiàn)是做好并網(wǎng)逆變器的關(guān)鍵。這種控制方式的缺點是需要編制較為復(fù)雜的矢量控制表，增加了系統(tǒng)設(shè)計、實現(xiàn)難度。在每一個開關(guān)周期內(nèi)根據(jù)給定矢量和輸出控制量，選取合適的矢量和運行時間去控制變換器中開關(guān)通斷，采用不同的開關(guān)組合模式生成扇區(qū)兩邊的空間電壓矢量。（10）空間矢量法空間電壓矢量控制,即依據(jù)逆變器空間電壓矢量切換來控制逆變器的一種新型思路的控制策略,它能在減少逆變器狀態(tài)轉(zhuǎn)換時開關(guān)器件工作頻率的情況下輸出較好質(zhì)量的正弦波,且能提高直流電壓利用率。模糊控制的特點是不需要精確的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)魯棒性高，易于設(shè)計和控制。模糊控制的核心部分是模糊控制器。模糊控制不依賴精確地數(shù)學(xué)模型，而是模仿人的信息處理能力，對復(fù)雜事物做出有效地判斷和處理。（9）模糊控制模糊控制屬于智能控制的一種?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制的優(yōu)點是具有較好的魯棒性，系統(tǒng)對參數(shù)變化和外部擾動不敏感。滑模變結(jié)構(gòu)控制方式是一種非線性控制方式，其基本思想是利用主電路功率器件開關(guān)控制策略使系統(tǒng)的被控制量沿著設(shè)計好的滑模面進行運動。例如，適合變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對并網(wǎng)逆變器性能的要求。 ??控制器 refV積分器()xt()xt圖 315 單周期控制原理圖單周期控制方式的特點是魯棒性好，動態(tài)響應(yīng)快，控制電路簡單，并網(wǎng)電流諧波因數(shù)較小，開關(guān)頻率一定，穩(wěn)態(tài)誤差較低。單周期控制的核心是帶復(fù)位功能的積分器。這樣會造成無差拍控制的性能變低，魯棒性降低，系統(tǒng)控制效果不好。當系統(tǒng)中產(chǎn)生擾動時，只需要一個開關(guān)周期就可以使輸出量在此跟蹤給定值。(6) 無差拍控制 無差拍控制是一種基于離散數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)的 PWM 方案，它根據(jù)正弦參考指令和測量的狀態(tài)反饋變量，由微機來計算下一個開關(guān)周期的脈沖寬度，控制逆變器開關(guān)動作以使下一個采樣時刻的輸出電壓準確等于正弦參考指令。這種策略常?；谛⌒盘柧€性化狀態(tài)空間模型，采用數(shù)字控制技術(shù)和對整個系統(tǒng)進行閉環(huán)極點配置，兼顧系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能進行系統(tǒng)的優(yōu)化控制。因此，重復(fù)控制器經(jīng)常和 PI 控制器進行并聯(lián)控制，在保證穩(wěn)態(tài)精度的同時提高其動態(tài)響應(yīng)速度。但是，重復(fù)控制的動態(tài)性能較差，尤其是在干擾出現(xiàn)的第一個采樣周期內(nèi)，系統(tǒng)近乎于開環(huán)控制狀態(tài)，對干擾不產(chǎn)生任何調(diào)節(jié)作用。經(jīng)過補償器補償?shù)闹貜?fù)控制系統(tǒng)單位增益且無相位滯后。為低通濾波器或可以取為略小于 1 的常數(shù)（大多取 與 1 之間） ，以()Qz降低重復(fù)控制器的積分作用，提高其穩(wěn)定性。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）24Z NS ( z )Q ( z ) ++ e ( k )Z kC ( z )圖 314 重復(fù)控制器控制框圖其中，各環(huán)節(jié)介紹如下： 為周期延遲環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)使本周期的誤差與擾Nz?動從下一周期開始影響控制量。內(nèi)模原理是把作用于系統(tǒng)的外部信號的動力學(xué)模型植入控制器以構(gòu)成高精度反饋控制系統(tǒng)的一種設(shè)計原理，該原理指出，若要求一個反饋控制系統(tǒng)具有良好的跟蹤能力以及抵消擾動影響的能力(即穩(wěn)態(tài)時誤差趨于零)，并且這種對誤差的調(diào)節(jié)過程是穩(wěn)定的，即如果希望控制系統(tǒng)對某一參考指令實現(xiàn)無靜差跟蹤，那么產(chǎn)生該參考指令的模型必須包含在穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)部。其控制思路是：假定前一周期出現(xiàn)的輸出電壓波形畸變將在下一周期的同一時刻再次出現(xiàn)，控制器根據(jù)參考信號和輸出電壓反饋信號的誤差來確定所需的校正信號，然后，在下一個基波周期將此校正信號疊加在原控制信號上，這樣就可以消除輸出電壓的周期性畸變。目前將滯環(huán)控制和恒頻控制相結(jié)合，提出了采用固定開關(guān)頻率的滯環(huán)控制方法，優(yōu)化了控制系統(tǒng)性能。但是，滯環(huán)電流控制也存在著開關(guān)頻率過高、頻率不穩(wěn)定的問題，而且功率器件的開關(guān)頻率處于變化中，有時會出現(xiàn)窄脈沖或大的電流尖峰，使主電路與保護電路的設(shè)計難度增加，難以選擇較適合的器件。能補償器件的電壓降和變換器的死區(qū)時間的影響。 對負載參數(shù)的變化不敏感，且能補償參數(shù)變化帶來的影響。 電流跟蹤誤差小。采用滯環(huán)比較方式的電流跟控制方法具有以下特點：硬件結(jié)構(gòu)非常簡單、操作簡單，容易實現(xiàn)。系統(tǒng)采用滯環(huán)比較器進行控制，屬于閉環(huán)控制。在基波頻率處，具有無窮增益的特性可以使基波頻率處幅頻特性為 1，相頻特性為 0，因此()Gs可以實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制。其傳遞函數(shù)為： (32)2()()1ipKGss???比例諧振控制相當于零穩(wěn)態(tài)誤差控制，與其他控制方式相比，該方法最大特色是可以有效抑制并網(wǎng)電流中的直流分量, 而大部分并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)常常忽 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）23略這一點。(2) 比例諧振控制傳統(tǒng)的 PI 控制是基于誤差進行控制的，也就是指，系統(tǒng)中必然存有一定的穩(wěn)態(tài)誤差。()PWMGs1()sPI 控制參數(shù)設(shè)置方式需要根據(jù)電流控制回路的系統(tǒng)特性來設(shè)定，受到系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計要求的限制，轉(zhuǎn)折頻率和比例增益值只能取較小的范圍。其傳遞函數(shù)為： (31)()ipKGss??其中， 為比例系數(shù)，表示當前的誤差，主要影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)； 為pK iK積分系數(shù)，表示過去累積的誤差，主要影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。PI 控制因其算法簡單，技術(shù)成熟，參數(shù)易整定等特點，成為并網(wǎng)工程領(lǐng)域廣泛采用的控制方案。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）22目前應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器的控制方式有多種，如滯環(huán)控制、PI 控制、比例諧振控制、重復(fù)控制、無差拍控制、單周期控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等多種。目前還有數(shù)?；旌系目刂品绞?。采用數(shù)字化控制方式，系統(tǒng)效率高，電能質(zhì)量好，可靠性好。模擬控制方式控制電路設(shè)計復(fù)雜，難以設(shè)計，而且只能采用 PID 控制。圖 312 并網(wǎng)逆變控制電路圖并網(wǎng)逆變器控制策略可以采用模擬方式和數(shù)字方式來實現(xiàn)。即控制對電網(wǎng)的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。由于其控制方法相對簡單，因此使用比較廣泛。但由于鎖相回路的響應(yīng)較慢、逆變器輸出電壓值不易精確控制、可能出現(xiàn)環(huán)流等問題，如果不采取特殊措施，一般來說同樣功率等級的電壓源并聯(lián)運行方式不易獲得優(yōu)異性能。逆變器與電網(wǎng)并聯(lián)運行的輸出控制可分為電壓控制和電流控制。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器按控制方式分類，可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制四種方法。本文根據(jù)實際需求，選擇單級單相拓撲結(jié)構(gòu)。后級是一個低開關(guān)頻率的逆變器,減少整體的開關(guān)損耗。這個拓撲是針對于 10KW 光伏發(fā)電系統(tǒng)提出的。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）20圖 310　多級式 Boost 逆變器以上提到的兩種 DCACDCAC 逆變器的后級是電壓源型逆變器,而圖 311后級是一個電流源型逆變器。與圖 34 相比,圖 310 的偽直流環(huán)節(jié)省略了直流濾波器,后級逆變器只用很低的開關(guān)頻率就可以得到高質(zhì)量的輸出,最后需要一個低通濾波器來減小 THD。圖 310 是一個多級式 Boost 逆變器,它的前級由 PWM 控制,在前級和后級間得到一串直流脈沖序列,稱為偽直流環(huán)節(jié)。圖 34 是一個傳統(tǒng)型的拓撲結(jié)構(gòu),它通過前級逆變器的高頻升壓變壓器、整流器和直流濾波器,在前級和后級逆變器之間得到了一個可控的直流電壓。圖 39　兩級式非隔離電壓源型 Boost 逆變器升壓比例比較大的多級式逆變器往往需要一個高頻 DCACDC 變換器,把變化的直流電壓轉(zhuǎn)變成可控的直流電壓,最后通過一級高頻或低頻逆變器,得到預(yù)期的交流電壓。圖 39 還有另外一種控制策略,在前級將直流電壓整流為正弦波形,后級將這個正弦波轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)頻率的交流電壓。前級對直流電壓進行升壓,保證直流電壓的紋波在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi),后級利用 PWM 技術(shù)完成逆變,得到適于并網(wǎng)的交流電壓波形。在大功率、高性能、直流電壓波動范圍大的場合,多級式逆變器更加適用。要增大逆變器的容量,就要增加電流的峰值,增加開關(guān)承受的電流應(yīng)力。圖 37　六開關(guān)隔離型 Buckboost 逆變器圖 38　六開關(guān)非隔離型 Buckboost 逆變器單級 Buckboost 逆變器省去了低頻變壓器,與傳統(tǒng)的工頻逆變器相比 ,性價比高,體積小。這個拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于通過對兩個附加的開關(guān)管(E 和 F)的控制就可以實現(xiàn)電氣隔離,省去了笨重的變壓器。這種拓撲結(jié)構(gòu)可以保證在輸入直流電壓變化范圍很大時,得到令人滿意的交流輸出波形。圖 37 是一個六開關(guān)隔離型 Buckboost 逆變器拓撲結(jié)構(gòu),由兩組 Buckboost 斬波電路組成一個四開關(guān)橋 ,兩個附加的開關(guān)(Q5 和Q6)保證每半個周期的同步交換。這種拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是裝設(shè)的兩個高頻變壓器起到了電氣隔離的作用,而且可以承受直流電壓有比較大的波動,但是兩個高頻變壓器也增加了成本,這樣的逆變器適用于 PV 發(fā)電系統(tǒng)。當 PV產(chǎn)生的電能大于往電網(wǎng)輸送的電能時,兩個電容器吸收電能。圖 36 是一個四開關(guān)隔離型雙向 Buckboost 逆變器,兩個雙向反激變換器并聯(lián)組成了主電路拓撲,電網(wǎng)連接著兩個變換器的輸出端。它允許輸入的最低直流電壓為 42V/81V,轉(zhuǎn)換效率約為 80%。圖 35 是一個四開關(guān)非隔離型 Buckboost 逆變器,輸入端把直流電源分成兩部分,分別給兩組 Buckboost 電路供電。下面主要介紹用于并網(wǎng)的單級 Buckboost 逆變器。多級轉(zhuǎn)換逆變器需要多于一級的能量交換,其中前幾級往往完成升降壓或電氣隔離的功能,最后一級來完成 DCAC 轉(zhuǎn)換。圖 34 多級式高頻隔離型 Buck 逆變器根據(jù)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)的級數(shù),可以將逆變器分為單級逆變器和多級逆變器。圖 33 傳統(tǒng)低頻隔離型 Buck 逆變器傳統(tǒng)的逆變器在用于現(xiàn)有很多大功率系統(tǒng)時,往往需要裝設(shè)一個笨重的工頻變壓器,對逆變過程中產(chǎn)生的諧波、直流分量具有很好的隔離效果,能夠有效地滿足技術(shù)標準和規(guī)范對并網(wǎng)設(shè)備的要求,但是成本高、體積大、重量重,特別是有變壓器后逆變效率難以進一步提高。因為分布式發(fā)電并網(wǎng)逆變器的輸入直流電壓的波動范圍很大,所以根據(jù)逆變器輸入直流電壓和輸出交流電壓的比較,可以將逆變器分為 Buck 逆變器、Boost 逆變器和 BuckBoost 逆變器。隔 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）16離型逆變器一般都是用一個變壓器來進行隔離的。另外,逆變器的輸出也要滿足較高的質(zhì)量,比如 THD 很小、功率因數(shù)為 與電網(wǎng)電壓同頻同相等。 一般的電路結(jié)構(gòu)并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)展拓撲結(jié)構(gòu)是逆變器的關(guān)鍵部分,它關(guān)系著逆變器的效率和成本。當電網(wǎng)電能富足時，從公用電網(wǎng)吸收電能，并將其存儲起來。功率單向流動、雙向流動等各種形式。隔離型逆變器多采用變壓器進行隔離。除此之外，逆變器的還包括單相逆變器和三相逆變器。A Cgridu 逆變器 濾波器DCV電子負載 、 分布式發(fā)電能源 、 電機圖 31 單級并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖 32 多級并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)在功率較小的場合，大多采用高效、低成本的單級逆變器；而在大功率、寬電壓范圍輸入的場合，多采用多級逆變器。多級轉(zhuǎn)換 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）15逆變器應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)為 DCDCAC 逆變器、DCACAC 逆變器和 DCACDCAC 逆變器。單級式逆變器是只用一級拓補結(jié)構(gòu)就可以完成升壓和交直流電能轉(zhuǎn)換（DC