世界范圍內(nèi)的能源短缺和環(huán)境污染已成為制約人類社會(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,。太陽能發(fā)電作為一種新的電能生產(chǎn)方式，以其無污染,、安全,、資源豐富、分布廣泛等特點(diǎn)顯示出無比廣闊的發(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)污染的問題也得到了越來越多重視。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)采用兩級結(jié)構(gòu),，前級DC／DC為Boost升壓電路，后級為半橋逆變和LC濾波電路,。圖l中前級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)來濾出高頻開關(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,。也可以通過限制系統(tǒng)帶寬來抑制高頻擾動(dòng)，但對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)，可以對可測量誤差進(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)帶來新的誤差,，因此必須對信號(hào)延遲進(jìn)行補(bǔ)償,。本文采用了二階外推的方法對信號(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控制器對可測的電網(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控制對正弦信號(hào)跟蹤本身就存在誤差，這個(gè)誤差可以通過增大開環(huán)增益減少但不能消除,，而增大開環(huán)增益降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (2)傳統(tǒng)PI控制對非線性因素帶來的干擾無法消除,。為了實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤,，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)中存在電流在過零點(diǎn)斷續(xù),、開關(guān)死區(qū),、驅(qū)動(dòng)信號(hào)不對稱等周期擾動(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)對所有擾動(dòng)進(jìn)行無差跟蹤,，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)洹D8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,，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性,。重復(fù)控制用來抑制死區(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)提出了一種高性價(jià)比的控制策略,。