太阳能逆变器的pr控制原理.docx

太阳能逆变器的pr控制原理 1 电压源型变压器的选择 近年来，可支配能力转化的应用广泛，尤其是用于发电、水电和太阳能能源的能源利用。使用在这些场合的电源转换装置大都包括一个网络连接的电压源型逆变器,并且这个逆变器使用函数变换使得能量能够馈送到电力网络中。而逆变器通常是采用脉宽控制的方式使开关器件工作在高速开关频率的状态下,而且不论电流型控制的逆变器还是电压型控制的逆变器都会选择一种线性的或者非线性的算法。采用怎么样的方式来实现电源的转换,通常是根据价格、稳定性、谐波比率等因素,然后权衡这些因数来决定代表性的电源转换方式。 2 并网电气系统控制算法 如图1所示,系统直流侧电压Vdc可由太阳能光伏阵列电路获得。逆变桥输出经过电感L连接到电网上。电感用于滤除由于开关动作引起的高次谐波电流,使并网输出电流是与电网电压同频同相的正弦波。系统控制算法由DSP实现。并网时,当DSP检测到电网电压正向过零点时,启动DSP内部并网控制算法程序,实现电网频率的锁相跟踪,并经过运算,产生逆变器并网运行所需要的SPWM逻辑控制信号,经隔离驱动电路实现对逆变器开关的控制,使逆变器实现单位功率因数并网运行。 2.1 i#ac H桥PWM并网逆变器是具有电流控制特性的电压型逆变器。通过对交流并网侧电感电流的控制来实现电能的单位功率因数并网运行。 为了实现太阳能电池的最大光电转换效率,控制系统需要一个MPPT算法来得到期望的Ipv。单级太阳能逆变器需要一个大电容Cdc来缓解太阳能电池的电流和电压波动,但Cdc也降低了通过逆变器电流来调节太阳能电池功率的速度。为了提高MPPT的调节速度,必须提供适当的逆变器电流主令I*ac,以使太阳能电池可以快速达到其期望的输出功率。I*ac与期望的太阳能电池电流Ipv、滤波电容电压Vdc等因数相关。 在单位功率因数条件下,根据并网逆变器交、直流侧功率平衡原理,忽略损耗有 式中,Iac和E分别为交流电网电流和电压的有效值。则并网逆变器交流电流到直流电流的稳态变化关系为 对上式进行离散化得到 所以,通过对直流母线中的电容电压Vdc的测量和太阳能板期望电流值IPV计算,可以得到电流控制指令I*ac(k),从而较好地提高能量的转换效率,最大地充分地利用太阳能。 3 电流比例积分控制 电流内环可以采用的控制器有多种类型。经典的电流滞环控制,方法简单但是IGBT的开关频率不确定,容易导致不必要的高频控制。电流比例积分(PI)控制,具有算法简单和可靠性高的特点,因此被广泛应用于工业过程控制,但常规的PI控制对正弦的参考电流却难以达到理想的控制效果。若要实现并网电流的无静差跟踪,可以尝试引入新的控制环节———电流比例谐振(PR)控制。 3.1 传统比例-振幅控制器 电流比例积分(PI)控制针对直流给定信号而言,它可以因稳态增益无穷大而达到无静差控制,但是对交流给定,它的增益并不能达到无穷大,因而从本质上无法实现无静差。为使控制器在正弦给定下实现无静差控制,需要引入一个在该正弦频率下能够产生足够大增益的环节,谐振控制器就是一个比较理想的控制环节,谐振控制器的传递函数表示为 (5)式为理想谐振控制器,GR*在交流频率w0上具有无限增益,偏离w0则增益迅速衰减。(6)式可以代替(5)式来构成非理想的谐振控制器。这样,系统的增益是有限的,但仍然相对较高地执行出小的稳态误差。另外,(6)式的特点与(5)式不同,它的带宽可以通过改变wc变得更宽,这样有助于减少在一个典型的公用电网频率略有变化的敏感性。图2所示为(6)式在Ki=100、wc=2π、w0=100π时的波特图。 控制器的输出信号提供给PWM发生器,从而控制逆变器向电网输出电流,电路结构示意图见图3。在忽略电源电压us和滤波电感中的等效电阻的情况下,从控制信号到输出电流的传递函数G(s)如(7)式所示。 其中Ts为逆变器延迟U时?(间s),若(T开?s?关1)频Ls率为fs,则Tá-2?1fá。由电流环控制系统开环传递函数GR*(s)G(s)可知,由于截止频率远大于w0,在1/Ts大于截止频率时相位稳定裕量趋于0,单位阶跃响应有较大的超调量和较多的振荡次数。若1/Ts小于截止频率时系统将不稳定。而采用数字式控制器方案时,系统响应相当于由各个控制周期的阶跃响应合成的,因此仅有谐振控制器时必然会引起输出电流有较大的纹波以及较长的响应时间,甚至不稳定。 与PI控制器相似,增加一个比例控制器(比例系数为Kp)即可解决上述问题,由此便形成了比例-谐振(PR)控制器,其传递函数如(8)式所示 不同参数情况下PR控制系统开环传递函数波特图如图4所示,系统中wc和w0分别为2π和100π,曲线1、2、3分别对应Kp=0和Ki=1、Kp=0.1和Ki=1、Kp=0.1和Ki=100。由图4可见,增加了比例控制