光伏并网逆变器PR控制方法研究

传统PI瞬时值控制具有结构简单、控制参数易于整定，应用广泛等优点，但在静止坐标系下存在着稳态误差，造成并网电流的谐波增大、鲁棒性小等不足。本文从传统PI控制原理出发，提出了一种比例谐振控制方法并进行了深入的研究。通过MATLAB仿真验证，结果表明该方法能有效改善电流波形，在静止坐标系下实现零稳态误差控制，提高系统的鲁棒性及并网运行效率。

加速开发利用以太阳能等可再生能源，是解决当前能源问题的有效途径。光伏并网逆变器的控制目标是：提高逆变器输出电流的稳态和动态性能。要达到这些目标，一方面要合理设计主电路，另一方面要合理设计控制系统。控制系统是并网逆变器功能实现的核心，与上述性能指标息息相关。

目前，光伏并网逆变器的控制方法有很多，如滞环比较控制、PI控制、无差拍控制、重复控制和模糊控制等。本文从常规的PI瞬时值比较控制方法出发，提出了一种比例谐振控制器，并进行了深入的研究。结果表明该方法能在静止坐标系下跟踪参考电流实现零稳态误差控制，有效改善并网电流波形。

1 传统PI瞬时值控制原理

可见，这是一个有限值，系统存在零稳态误差。当光伏并网逆变器接入电网，相位误差会降低功率因数和抗干扰能力，一般需要电网前馈补偿。但电网前馈补偿却存在局限性：

⑴前馈控制的目标是抵消电网电压，这依赖于交流电压幅值和相位的准确检测和反馈检测，以及交流电压和并网逆变器输入直流电压的检测精度。

⑵前馈控制仅仅能减小电网电压引起的稳态误差，不能改变电流反馈PI控制所存在的开环增益受限问题。因而，对于系统本身跟踪给定量的稳态误差和逆变器开关死区时间引起的电流谐波等问题没有作用。

在基波角频率ω0之前PI控制器的幅值增益很高，并且随着角频率的的增加，幅值增益逐渐减小。当角频率增加到基波角频率及以上时，幅值增益保持不变。可见，在整个频率范围内幅值增益都是某个有限值，将系统存在稳态误差。

2 比例谐振控制原理

为了实现零稳态误差一般利用abc-dq坐标变换，在同步旋转坐标系下，将正弦参考信号变成直流信号，使PI控制做到零稳态误差控制。这种情况下，PI控制器虽然满足了无静差控制，但是增加了繁琐的abc-dq坐标变换的算法过程，使得控制器的设计复杂化。为此，本文提出了PR控制器。PR控制器可以在静止坐标系下跟踪参考电流实现零稳态误差控制，简化了控制器的设计。

PR控制器由比例调节器和谐振调节器组成，其传递函数如下：

由公式（4）可以看出，这个值是无穷大。因此，PR控制器可以实现系统的零稳态误差，同时具有抗电网电压干扰的能力。

从PR控制系统原理框图中可以看出：将检测得到的三相交流电流转化到两相静止坐标系下，与给定信号的偏差作为PR控制器的输入，PR控制器的输出为电压控制指令，该指令电压转换成三相交流指令电压后，被送入PWM调制单元生成PWM信号送到并网逆变器，从而控制功率器件的开断，产生实际所需的交流电压，并使并网电流跟随参考值变化。PR控制器的优点如下：

（1） 省去了电流及电压指令的坐标旋转变换；

（2） 省去了耦合项和前馈补偿项；

（3） 消除了电网电压对系统控制的影响；

（4） 减小了控制算法的实现难度，提高了系统鲁棒性。

以kp=2，kr=100，ω0=50*2π=100 rad/s时PR控制器的伯德图中可以看出，在角频率ω0周围相当窄的频率带对应的幅值增益远高于其他频率处的幅值增益。也就是说比例谐振控制器在工频50Hz频率处引入了一个无限大增益使系统输出的稳态误差为零。这样只需设置ω0为电网电压的基波角频率即可对并网电流进行控制。

3 仿真研究

按照上述设计，在Matlab/Simulink平台上搭建光伏并网逆变系统仿真模型，并分别针对PI和PR两种控制方案进行了仿真。主要参数为：光伏电池模型输出直流电压Udc=300V，输出额定功率P=900W；电网额定电压为220V，额定频率为50Hz；直流母线稳压电容为3300μF，滤波电感为1.34mH，滤波电容为8μF；工频变压器采用Δ/Yn接法，变比为120/380V；开关频率为9600Hz。

从电网相电压和并网相电流波形中可以看出，并网电流波形能很好地跟随电网电压波形，与电网电压同频同相，实现了并网逆变器输出电流正弦和功率因数调节的控制任务。从PI和PR控制下并网电流的FFT分析图，比较可以看出，PR控制方案的并网电流波形质量较高，其总谐波畸变率THD=1.76%，满足电能质量要求。

PI和PR控制下并网电流跟踪参考指令仿真波形图中可以看出，在采用PI控制法案时，并网逆变器输出的并网电流在跟踪参考信号时存在稳态误差；采用PR控制方案时，并网逆变器输出的并网电流在跟踪参考信号时几乎不存在稳态误差，跟踪效果较好。

4结论

本文针对三相光伏并网逆变系统，提出了一种有效的并网电流PR控制方案。即将检测到的三相交流电流变换到两相静止坐标系下，将与给定电流信号的偏差作为PR控制器的输入，再将PR控制器的输出转换成三相交流电压PWM控制信号，以此控制并网逆变器中功率器件的开断，使并网电流跟随参考值变化。该方法能有效改善电流波形，在静止坐标系下实现零稳态误差控制，提高系统的鲁棒性及并网运行效率。通过仿真分析，验证了该方法的正确性和有效性。
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