世界范圍內(nèi)的能源短缺和環(huán)境污染已成為制約人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的兩大重要因素,，大力發(fā)展新的可替代能源已成為當(dāng)務(wù)之急。太陽(yáng)能發(fā)電作為一種新的電能生產(chǎn)方式,，以其無(wú)污染,、安全、資源豐富,、分布廣泛等特點(diǎn)顯示出無(wú)比廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景,。隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電設(shè)備的增加，并網(wǎng)電流諧波帶給電網(wǎng)污染的問(wèn)題也得到了越來(lái)越多重視,。為改善并網(wǎng)輸出電流波形,，文獻(xiàn)采用了重復(fù)控制來(lái)抑制周期性干擾，但重復(fù)控制響應(yīng)速度慢,，使控制系統(tǒng)穩(wěn)定性變差,。文獻(xiàn)提出了使用重復(fù)控制來(lái)改善輸出波形質(zhì)量，本文在此基礎(chǔ)上提出了一種將重復(fù)控制和傳統(tǒng)PI相結(jié)合的控制方法,，PI控制使系統(tǒng)有著良好的動(dòng)態(tài)性能,，重復(fù)控制用來(lái)抑制周期性干擾，提高跟蹤精度,。
1 并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)
本文提出的單相并網(wǎng)逆變器的主體結(jié)構(gòu)如圖l所示,，系統(tǒng)采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，前級(jí)DC／DC為Boost升壓電路,，后級(jí)為半橋逆變和LC濾波電路,。圖l中前級(jí)Boost升壓電路是為了滿足電池板的寬電壓輸入范圍，半橋上的電容C2,、C3既是Boost的輸出電容,，也作為半橋的儲(chǔ)能電容,。輸出采用LC濾波結(jié)構(gòu)來(lái)濾出高頻開(kāi)關(guān)噪聲。
2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 傳統(tǒng)PI控制器設(shè)計(jì)
取圖1中輸出電感L2電流為狀態(tài)變量,，則
Uinv為逆變器輸出電壓,，U-Grid為電網(wǎng)電壓，L為電感值,，r為電感等效內(nèi)阻,。則基于傳統(tǒng)PI控制的系統(tǒng)框圖如圖2所示。
圖2中,，Iref為參考正弦,，U-Grid為電網(wǎng)電壓，Io為并網(wǎng)電流,，F(xiàn)b_cor為前饋系數(shù),。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)為了減少或消除穩(wěn)態(tài)誤差,，可以提高系統(tǒng)的型別或者開(kāi)環(huán)增益,，但卻影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,。也可以通過(guò)限制系統(tǒng)帶寬來(lái)抑制高頻擾動(dòng),，但對(duì)低頻干擾卻作用不大。而前饋控制并不改變反饋系統(tǒng)的特性,，只要參數(shù)選擇得當(dāng),，可以對(duì)可測(cè)量誤差進(jìn)行完全補(bǔ)償。因此本文為了抵消電網(wǎng)的影響采用了反饋和前饋相結(jié)合的復(fù)合控制方法,。在高頻控制信號(hào)下,，半橋電路可以等效為比例放大器，設(shè)為KPWM,。則由控制若使U-Grid作用下的誤差為零,，則實(shí)現(xiàn)了誤差全補(bǔ)償，由(3)式可得到全補(bǔ)償條件為
若使U-Grid作用下的誤差為零,，則實(shí)現(xiàn)了誤差全補(bǔ)償,，由(3)式可得到全補(bǔ)償條件為
但在實(shí)際應(yīng)用中，由于信號(hào)采樣精度及處理的延遲,，不可能做到全補(bǔ)償,，嚴(yán)重的時(shí)候可能給系統(tǒng)帶來(lái)新的誤差，因此必須對(duì)信號(hào)延遲進(jìn)行補(bǔ)償,。本文采用了二階外推的方法對(duì)信號(hào)延遲進(jìn)行補(bǔ)償并且用simulink／matlab 7．0驗(yàn)證了上述算法,，仿真結(jié)果如圖3所示。為便于顯示,，將電網(wǎng)電壓衰減為峰值20V,。
從圖3可以看出加電網(wǎng)電壓前饋的傳統(tǒng)PI控制器對(duì)可測(cè)的電網(wǎng)擾動(dòng)有很好的補(bǔ)償作用,，系統(tǒng)有足夠的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但這種控制方法仍然存在局限性： (1)有靜態(tài)誤差,，由自控原理可以知道PI控制對(duì)正弦信號(hào)跟蹤本身就存在誤差,，這個(gè)誤差可以通過(guò)增大開(kāi)環(huán)增益減少但不能消除，而增大開(kāi)環(huán)增益降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。 (2)傳統(tǒng)PI控制對(duì)非線性因素帶來(lái)的干擾無(wú)法消除,。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差跟蹤，必須改進(jìn)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu),。
2．2 重復(fù)控制+PI復(fù)合控制器設(shè)計(jì)
由于逆變器系統(tǒng)中存在電流在過(guò)零點(diǎn)斷續(xù),、開(kāi)關(guān)死區(qū)、驅(qū)動(dòng)信號(hào)不對(duì)稱(chēng)等周期擾動(dòng)的影響,，會(huì)導(dǎo)致逆變器輸出的并網(wǎng)電流波形畸變,，給電網(wǎng)帶來(lái)諧波污染，而基于內(nèi)模原理的重復(fù)控制的基本思想是假定上一周期的基波將會(huì)在下一周期的同一時(shí)間重復(fù)出現(xiàn),，這樣就可根據(jù)本周期給定信號(hào)和反饋信號(hào)的誤差確定所需的校正信號(hào),，并將上周期同一基波時(shí)間的誤差疊加到校正信號(hào)上，這樣不僅能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)誤差跟蹤還能消除重復(fù)出現(xiàn)的畸變,。這種控制技術(shù)在消除上述周期擾動(dòng)的影響有很好的靜態(tài)控制性能,，也易數(shù)字實(shí)現(xiàn)。但誤差在重復(fù)控制中是在下一個(gè)周期中得到控制,，這就影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,。本文根據(jù)這兩種控制的優(yōu)缺點(diǎn)，將重復(fù)控制疊加到PI控制器上,，設(shè)計(jì)出了一種新的復(fù)合控制方法,。
由內(nèi)模原理可以知道，在一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)中包含參考信號(hào)的模型,，則輸出能夠無(wú)差的跟蹤這個(gè)參考信號(hào),。在實(shí)際系統(tǒng)中，擾動(dòng)是多種多樣的,，若要實(shí)現(xiàn)對(duì)所有擾動(dòng)進(jìn)行無(wú)差跟蹤,，則要設(shè)置很多這樣的模型，使系統(tǒng)變得很復(fù)雜,，不易實(shí)現(xiàn),。傳統(tǒng)的重復(fù)控制器內(nèi)模如圖4所示。
圖4中F(s)為濾波函數(shù),，通常為一低通濾波器或者小于1的常數(shù),，T為重復(fù)控制周期。鑒于在并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中，死區(qū)等因素在一個(gè)基波周期重復(fù)出現(xiàn),，并且為了提高重復(fù)控制器的響應(yīng)速度,，對(duì)圖4所示的內(nèi)模做了修改，改進(jìn)的內(nèi)模如圖5所示,。
圖5中,，T為重復(fù)控制周期。將上述內(nèi)模嵌入到圖2所示的傳統(tǒng)PI控制器里得到了新的復(fù)合控制方法,，如圖6所示,。
基于上面的原理，本文設(shè)計(jì)了matlab仿真模型,，圖7為simulink／matlab 7．0復(fù)合控制仿真結(jié)果,，從圖中可以看出系統(tǒng)功率因數(shù)為1，波形也明顯得到了改善,。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為驗(yàn)證上面的算法,，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)5kW單相并網(wǎng)逆變器，圖1為電路拓?fù)?。圖8為傳統(tǒng)PI控制下的并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓波形,，電流在過(guò)零處有振蕩并有相移，這是由于死區(qū)效應(yīng)引起的失真和PI控制開(kāi)環(huán)增益不能太大所導(dǎo)致,。圖9為重復(fù)和PI復(fù)合控制下的并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓波形,，電流失真明顯減小，功率因數(shù)也得到了提高,。
4 結(jié)論
本文提出了重復(fù)控制和PI控制相結(jié)合的復(fù)合控制策略，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性,。重復(fù)控制用來(lái)抑制死區(qū)等周期性干擾,，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，傳統(tǒng)PI控制用來(lái)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,。兩者相互補(bǔ)充,，使輸出并網(wǎng)電流具有低的諧波失真和高的功率因數(shù)，為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)提出了一種高性?xún)r(jià)比的控制策略,。