分布式電源并網逆變器控制策略與仿真研究

摘要：逆變技術的發展是隨著電力電子技術、微電子技術和現代控制理論的發展而發展。針對光伏并網過程中的直流升壓、SPWM波形產生、同步鎖相、逆變并網動態過程、研究了基于電網特點的FIR數字濾波、交流采樣和穩定直流母線電壓的數字PID控制器等技術提出了基于改進MPPT算法的控制策略并進行Simulink動態仿真。
關鍵詞：分布式電源；并網逆變器；FIR數字濾波；數字PID控制；控制策略

分布式電源憑借其就地發電服務用戶、清潔環保等諸多優點，擁有越來越大的市場份額。微電子技術的發展為逆變技術的實用化創造了平臺，微處理器的誕生滿足了逆變技術的發展要求，使先進的控制技術如矢量控制技術、多電平變換技術、重復控制、模糊邏輯控制等先
進的控制算法在逆變領域得到了較好的應用。進入21世紀，逆變技術正向著頻率更高、功率更大、效率更高、體積更小的方向發展。本設計方案采用DC-DC-AC結構能有效提高效率，采用高頻直流升壓技術使逆變并網器體積更小，安全性能大大提高。針對動態系統的試驗問題提出了利用Simulink的參數估計功能，使理論模型根據實驗數據進行數值參數估計，從而達到理論模型充分接近實際實驗環境。

1 分布式電源并網逆變器系統設計
1．1 DC-DC變換器
DC-DC變換器是通過半導體閥器件的開關動作將直流電壓先變為交流電壓，經整流后又變為極性和電壓值不同的直流電壓的電路，這里要闡述的是中間經過變壓器耦合的直流間接變換電路。DC-DC變換器在將直流電壓變換為交流電壓時頻率是任意可選的，因此使用高頻變壓器能使變壓器和電感等磁性元件和平波用電容器小型輕量化。如今，隨著半導體閥器件的進步，輸出功率為100 W以上的電源實際上采用的開關頻率都在20～500 kHz范圍內，MHz級高頻變換器也在開發研究之中。而且，通過變換頻率的高頻化，可以使平波用電容的容量減小，從而能夠使用陶瓷電容等高可靠性的元件。而且，本文在舉例闡述動作原理是采用雙極功率晶體管、IGBT、MOSFET等開通關斷可控的器件作為直流電壓變換為交流電壓的半導體閥器件，使用最多的還是MOSFET。
1．2 直流母線電壓PID控制器設計
作為直流母線400 V電壓必須具有一定的穩定性，不應該隨著負載的變化或電池電壓的改變而產生波動。因此必然需要用到反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執行。測量關心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調節控制系統的響應。由于PID控制器可以實現無差調節，其優異的動態穩態特性，以及方便靈活的參數整定方法，因此在逆變并網器中直流母線的電壓控制選擇PID控制算法。
在閉環控制系統里，將調節器置于純比例作用下，從小到大逐漸改變調節器的比例系數，得到等幅振蕩的過渡過程。此時的比例系數稱為臨界比例系數Ku，相鄰兩個波峰間的時間間隔，稱為臨界振蕩周期Tu。
臨界比例度法步驟：
(1)將調節器的積分時間置于最大(TI=∞)，微分時間置零(TD=0)，比例系數KP適當，平衡操作一段時間，把系統投入自動運行。
(2)將比例系數KP逐漸增大，得到等幅振蕩過程，記下臨界比例系數Ku和臨界振蕩周期Tu值。
(3)根據Ku和Tu值，采用經驗公式，計算出調節器各個參數，即KP，TI和TD的值。
1．3 逆變并網鎖相環設計
鎖相環分為模擬鎖相環和數字環鎖相。模擬鎖相環在電路可靠性、穩定性和集成度方面有著不可克服的缺陷：數字鎖相環又分為由數字邏輯器件構成的全數字邏輯鎖相環和基于DSP的軟件鎖相環。全數字邏輯鎖相環路由邏輯器件構成。
為了實現對電網電壓(SIGNAL)周期和相位的采樣，這里利用了一個遲滯比較器把信號源的模擬采樣信號(SIGNAL)整形為矩形波(TO_DSP)然后通過TMS320F28X的捕獲單元得到電網電壓的頻率和相位信息。在設計中應當注意的是，由于軟件是通過電網電壓的上升沿來獲得周期和相位信息的，因此在硬件的設計上應當保證電網電壓的過零點和正弦波整形得到的矩形波的上升沿保持一致(即不能有延時)，這就要求計算遲滯比較器的上限觸發電平U+為0 V。
遲滯比較器的上、下限觸發電平為：

式中：U+，U-為遲滯比較器的上、下限觸發電平；UOH，OL為輸出電壓的上下限(UOH為5 V，UOL為0 V)；UR為比較器的基準電壓，這里為0 V。
交流有效值定義為：

式中：x(t)為被測交流信號；Xeff為對應的有效值；t是時間；T是交流信號的周期。式(3)給出的有效值包含了基波和諧波的共同貢獻，通常稱這種有效值為真有效值，有時也稱為方均根值。
對于數字測量系統，式(3)變成：

式中：xm(k)為交流信號在kTs時刻的采樣值(也稱采樣數據)，Ts為采樣周期，下標m代表該采樣值采自交流信號的第m個周波，k代表在第m個周波內的第k次采樣(k=1，2，…，N)；N是在交流信號一個周期內的采樣次數或采樣點數。
1．4 改進MPPT算法
傳統MPPT算法，即爬山法，是一種比較實用的MPPT控制算法，這種方式雖在一定程度上減輕了CPU的負擔，但由于周期性尋優，會對系統的輸出電壓造成周期性的波動。
改進MPPT算法基本思想是：
(1)利用過山車法，即先將光伏電池陣列兩端電壓U1鉗制在蓄電池電壓U2處，再逐漸增加U1，使光伏電池陣列的輸出功率點由小到大，經過MPP后，繼續增大U2，使輸出功率比最大輸出功率小于一個閾值△P1。輸出功率由小變大，再變小，一定會經過一個最大點。在輸出功率變化過程中，記錄下光伏電池陣列輸出最大功率時的輸出電壓Umax；
(2)根據光伏電池陣列輸出最大功率時記錄下的Umax，利用穩壓程序(可利用PID控制)將U1鉗制在記錄下的Umax上，實現光伏電池陣列以最大功率穩定地輸出能量；
(3)當光照強度發生變化(由于在短時間內，環境溫度的變化對系統輸出功率的變化影響不大，可以忽略)，即輸出電壓Umax時的輸出功率P1與之前的Pmax之間差值超過一定閾值△P時，若P1>Pmax，說明光照強度增加了，MPP處的輸出電壓也相應增大了，所以此時應啟動按增加光伏電池陣列輸出電壓的方向用過山車法尋找MPP程序；如果P1Pmax，說明光照強度減小了，MPP處的輸出電壓也相應減小，故此時應啟動按減小光伏電池陣列輸出電壓的方向用過山車法尋找MPP程序。

2 分布式電源并網逆變器仿真
2．1 DC-DC直流升壓PID控制仿真
作為直流母線400 V電壓必須具有一定的穩定性，不應該隨著負載的變化或電池電壓的改變而產生波動。因此必然需要用到反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執行。測量關心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調節控制系統的響應。
針對DC—DC直流母線硬件結構以及控制方式對被控模型進行數學建模，由于PWM裝置的數學模型與晶閘管裝置一樣，在控制系統中的作用也一樣。因此，當開關頻率為10 kHz時，T=0．1 ms，在一般電力自動控制系統中，時間常數這么小的滯后環節可以近似一個一階慣性環節，故其傳遞函數為：
Ws(s)≈Ks／(TS+1) (5)
這與晶閘管的傳遞函數完全一致。但需要注意，式(5)是近似的傳遞函數，實際上PWM變換器不是一個線性環節，而是具有繼電特性的非線性環節。繼電控制系統在一定條件下會產生自激振蕩，這是采用線性控制理論的傳遞函數不能分析出來的。根據式(5)結合本設計開關頻率10 kHz可以建立被控對象數學模型為：
Ws(s)≈(400／9)／(1e-4+1) (6)