基于准 PR控制和双闭环反馈的单相逆变器控制策略的优化

基于准 PR控制和双闭环反馈的单相逆变器控制策略的优化

张宇嘉，邢岩涛，刘馨頔，

中南大学自动化学院，湖南长沙， 410083

摘要：本文研究了当下微电网在国内外的发展和应用，并讨论了微电网在一些方面的优势。建立了基于单相逆变器的微电网系统，讨论了孤岛模式下的单相逆变器拓扑结构，采用双闭环反馈控制，根据幅频特性比较了PI，PR和准PR控制在动态性能和稳态误差方面的优劣，最终选用准PR控制对控制策略的优化，实现无静差追踪并增强抗干扰能力，还实现了对并网谐波的优化。

关键词准PR，双闭环控制，H桥逆变器

一、引言

1.1微电网发展和研究意义

随着火电、水电、核电等大型集中电源和超高压远距离输电网的规模不断扩大，电力系统的弊端日益显著，并且在经济发展之余，人们越来越强调清洁高效的可再生能源的开发，于是分布式发电不断发展，为了尽可能地解决大电网和分布式电源之间的冲突，在充分利用分布式电源的情况下减少其对大电网的冲击，学者们提出了微电网的概念。微电网将发电机、负荷、储能装置和控制装置结合在一起，形成了一个独立的可控的单元。微电网虽然也是分散供电形式, 但它绝不是对电力系统发展初期的孤立系统的简单回归。

1.2单相光伏微电网控制技术发展

理论上，逆变器输出电压中的谐波分量集中在开关频率及其倍数频率为中心的周围，当此谐波被滤波器滤除后，输出电压应为失真度很小的正弦波。但由于死区效应、非线性负载等因素的影响，会使输出电压波形产生严重的畸变，逆变器输出的电压或电流谐波不仅会造成功率因素降低，影响效率，而且还会引起逆变器自身及其他设备的失调。这些都需要适当的控制技术来改善逆变电源的性能。

本文提出一种改进策略，该策略电流内环采用电感电流瞬时反馈和负载扰动前馈相结合的PI控制、电压外环采用准PR控制，既有抗输出扰动能力也能减少并网谐波，还能实现零稳态误差。

二、单相逆变器双闭环策略

2.1逆变器的双闭环控制策略

我们首先考虑电流内环的反馈控制量，一般的电流内环反馈控制量如上所述，分为电感电流或者电容电流，利用电容电流作为控制量虽然可以利用其超前控制作用，实现提前校正，相对于电感电流控制有更好的对于扰动的抑制作用，但却无法对经过逆变器的电流进行保护，当然，电感电流为控制量的内环控制也可在一定侧面提高动态性能。本文经过全方面的考虑最终选取电感电流作为内环控制量,并使用较为简单的PI控制。

接下来我们主要探讨双环控制的外环控制部分。

我们首先建立了双闭环系统的结构框图，滤波电容瞬时电压和给定电压基准信号比较，产生瞬时电压误差信号，经G_v（s）产生瞬时电流基准值，与滤波电感电流信号和负载前馈干扰电流信号比较，形成瞬时电流误差信号，经过G_i（s）产生调制信号，与载波信号计算后产生SPWM开关信号，控制开关器件，在交流侧形成调制输出电压。

有负载扰动时的前馈时的传递函数有：

针对外环电压控制，我们提出了三种控制方法并分别进行幅频分析，分别得出理论性上稳定性和动态性能。

1. 首先我们分析的是最简单的PI控制

当G_v（s）选用PI控制时：

在电网基波频率ω₀处，PI控制的幅值：

所以在传递函数两项中都为有限值，输出电压U₀比参考电压U_ref小，存在稳态误差。虽然PI控制策略算法简单，容易实现，但无法做到无静差跟踪。

2. 为了实现无稳态误差的系统。PR控制器是基于内模原理的一种控制器。根据内模原理，如果把产生某一参考指令的模型植入到稳定的控制系统中，则可以实现对该指令的无静差跟踪。

当G_v（s）选用PR控制时：

在电网基波频率ω₀处，PR控制的幅值：

Kp:比例参数

Kr：谐振参数

将ω₀其代入进传递函数中，第一项等于Uref，第二项趋向于0，相比于PI控制，引入PR控制后，在基波频率处的输出基本等于参考电压，在其他频率处闭环增益均较小且小于0，虽然增强了抗干扰能力和稳态性能，但无法有效滤去谐波。但在后续的仿真中可以看出，负载出现扰动时，反应速度较慢，动态响应时间较长。

3. 由于上述PR控制器带来的问题，我们拟提出一种较为容易实现的准PR控制

当G_v（s）选用准PR控制时：

在电网基波频率ω₀处，准PR控制的幅值：

图4：理想PR控制器幅频特性

图5：准PR控制器幅频特性

从三种控制器的幅频特性曲线可以看出，在小于基波频率的低频段，PI控制器的增益要大于PR和准PR控制器的增益，这说明PI控制对直流参考信号系统中的控制性能要优于PR和准PR控制器。在基波频率处可以看到准PR控制器和PR控制器均具有足够大的增益，而且远远大于PI控制器在此处的增益，这也是PR控制和准PR控制可以实现对正弦参考信号无静差跟踪的根本原因。在基波频率附近，频率的小范围变化会引起PR控制器的增益直线下降，而准PR控制器仍具有足够大的增益，所以可以看出在电网频率发生偏移时，准PR控制器在输出电流控制上具有绝对的优势。

结论：

本文研究了当下微电网在国内外的发展和应用，并讨论了微电网在一些方面的优势。建立了基于单相逆变器的微电网系统，讨论了孤岛模式下的单相逆变器拓扑结构，采用双闭环反馈控制，根据幅频特性比较了PI，PR和准PR控制在动态性能和稳态误差方面的优劣，最终选用准PR控制对控制策略的优化，实现无静差追踪并增强抗干扰能力，还实现了对并网谐波的优化。

参考文献：

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[2]郑漳华、艾芊（2008）：微电网的研究现状及在我国的应用前景。电网技术，32（16），27-58。

[3]彭力, 张宇, 等. 高性能逆变器模拟控制器设计方法. 中国电机工程学报, 2006, 26(6): 89-90.