基于DSP的单相光伏并网控制系统的设计

　    世界范围内的能源短缺和环境污染已成为制约人类社会可持续发展的两大重要因素，大力发展新的可替代能源已成为当务之急。太阳能发电作为一种新的电能生产方式，以其无污染、安全、资源丰富、分布广泛等特点显示出无比广阔的发展空间和应用前景。随着光伏并网发电设备的增加，并网电流谐波带给电网污染的问题也得到了越来越多重视。为改善并网输出电流波形，文献采用了重复控制来抑制周期性干扰，但重复控制响应速度慢，使控制系统稳定性变差。文献提出了使用重复控制来改善输出波形质量，本文在此基础上提出了一种将重复控制和传统PI相结合的控制方法，PI控制使系统有着良好的动态性能，重复控制用来抑制周期性干扰，提高跟踪精度。

　　1 并网逆变器结构

　    本文提出的单相并网逆变器的主体结构如图l所示，系统采用两级结构，前级DC／DC为Boost升压电路，后级为半桥逆变和LC滤波电路。图l中前级Boost升压电路是为了满足电池板的宽电压输入范围，半桥上的电容C2、C3既是Boost的输出电容，也作为半桥的储能电容。输出采用LC滤波结构来滤出高频开关噪声。
　

　　2 控制系统设计

　　2．1 传统PI控制器设计

　　取图1中输出电感L2电流为状态变量，则

　　Uinv为逆变器输出电压，U-Grid为电网电压，L为电感值，r为电感等效内阻。则基于传统PI控制的系统框图如图2所示。

　　图2中，Iref为参考正弦，U-Grid为电网电压，Io为并网电流，Fb_cor为前馈系数。在设计控制系统时为了减少或消除稳态误差，可以提高系统的型别或者开环增益，但却影响了系统的稳定性，降低了系统的动态性能。也可以通过限制系统带宽来抑制高频扰动，但对低频干扰却作用不大。而前馈控制并不改变反馈系统的特性，只要参数选择得当，可以对可测量误差进行完全补偿。因此本文为了抵消电网的影响采用了反馈和前馈相结合的复合控制方法。在高频控制信号下，半桥电路可以等效为比例放大器，设为KPWM。则由控制若使U-Grid作用下的误差为零，则实现了误差全补偿，由(3)式可得到全补偿条件为

　　若使U-Grid作用下的误差为零，则实现了误差全补偿，由(3)式可得到全补偿条件为

　　但在实际应用中，由于信号采样精度及处理的延迟，不可能做到全补偿，严重的时候可能给系统带来新的误差，因此必须对信号延迟进行补偿。本文采用了二阶外推的方法对信号延迟进行补偿并且用simulink／matlab 7．0验证了上述算法，仿真结果如图3所示。为便于显示，将电网电压衰减为峰值20V。

　　从图3可以看出加电网电压前馈的传统PI控制器对可测的电网扰动有很好的补偿作用，系统有足够的动态响应，但这种控制方法仍然存在局限性： (1)有静态误差，由自控原理可以知道PI控制对正弦信号跟踪本身就存在误差，这个误差可以通过增大开环增益减少但不能消除，而增大开环增益降低了系统的稳定性。 (2)传统PI控制对非线性因素带来的干扰无法消除。为了实现无静差跟踪，必须改进系统的控制结构。

　　2．2 重复控制+PI复合控制器设计

　　由于逆变器系统中存在电流在过零点断续、开关死区、驱动信号不对称等周期扰动的影响，会导致逆变器输出的并网电流波形畸变，给电网带来谐波污染，而基于内模原理的重复控制的基本思想是假定上一周期的基波将会在下一周期的同一时间重复出现，这样就可根据本周期给定信号和反馈信号的误差确定所需的校正信号，并将上周期同一基波时间的误差叠加到校正信号上，这样不仅能实现信号的无误差跟踪还能消除重复出现的畸变。这种控制技术在消除上述周期扰动的影响有很好的静态控制性能，也易数字实现。但误差在重复控制中是在下一个周期中得到控制，这就影响了系统的动态性能。本文根据这两种控制的优缺点，将重复控制叠加到PI控制器上，设计出了一种新的复合控制方法。

　　由内模原理可以知道，在一个稳定系统中包含参考信号的模型，则输出能够无差的跟踪这个参考信号。在实际系统中，扰动是多种多样的，若要实现对所有扰动进行无差跟踪，则要设置很多这样的模型，使系统变得很复杂，不易实现。传统的重复控制器内模如图4所示。

　图4中F(s)为滤波函数，通常为一低通滤波器或者小于1的常数，T为重复控制周期。鉴于在并网逆变系统中，死区等因素在一个基波周期重复出现，并且为了提高重复控制器的响应速度，对图4所示的内模做了修改，改进的内模如图5所示。

　　图5中，T为重复控制周期。将上述内模嵌入到图2所示的传统PI控制器里得到了新的复合控制方法，如图6所示。

　　基于上面的原理，本文设计了matlab仿真模型，图7为simulink／matlab 7．0复合控制仿真结果，从图中可以看出系统功率因数为1，波形也明显得到了改善。

　　3 实验结果

　　为验证上面的算法，本文设计了一台5kW单相并网逆变器，图1为电路拓扑。图8为传统PI控制下的并网电流和电网电压波形，电流在过零处有振荡并有相移，这是由于死区效应引起的失真和PI控制开环增益不能太大所导致。图9为重复和PI复合控制下的并网电流和电网电压波形，电流失真明显减小，功率因数也得到了提高。

　　4 结论

　　本文提出了重复控制和PI控制相结合的复合控制策略，并通过实验验证了其有效性。重复控制用来抑制死区等周期性干扰，并提高系统的稳态性能，传统PI控制用来提高系统的动态性能。两者相互补充，使输出并网电流具有低的谐波失真和高的功率因数，为光伏并网发电系统提出了一种高性价比的控制策略。