摘要：提出了一種基于重復控制和電網電壓前饋控制相結合的光伏并網發電系統。重復控制可以抑制周期性的負載擾動，改善穩態情況下的并網電流波形；同時，采用電網電壓的前饋控制來抵消電網的影響，使系統近似成為一個簡單的無源跟隨系統。實驗結果表明，控制策略簡單有效，系統的并網電流波形較好。

關鍵詞：并網；重復控制；前饋控制

引言

近年來，隨著能源消耗的大規模增加，可再生能源受到了廣泛重視，各種并網發電裝置的應用逐漸增多。然而，隨著投入使用的并網逆變裝置增多，其輸出的并網電流諧波對電網的污染也不容忽視，根據相關標準[1]，并網逆變器輸出的電流波形總諧波畸變率應該5％，各次諧波畸變率應3％。基于此，本系統采用了電網電壓的前饋控制來抵消電網的影響，使系統近似成為一個無源跟隨系統；同時，采用并網電流的重復控制技術[2][3]以抑制周期性的負載擾動，改善穩態情況下的并網電流波形。而對于電壓型逆變器來說，改善動態特性的最好方法應該是采用電流控制策略，同時，由于并網逆變器的負載為容量近似無窮大的電網，電壓波形基本上是50Hz的正弦波，因此，本系統采用直接電流控制方式[4]，使并網輸出電流直接跟蹤給定并網電流的離散正弦值，實現并網電流的正弦化，且為單位功率因數。

1 主電路構成

1．1 主電路結構

圖1為系統的主電路及控制結構圖。由圖1可知，系統的主電路結構為單相全橋結構，功率器件采用智能功率模塊IPM75RSA060，功率輸出端利用標準工頻升壓變壓器隔離和升壓。由控制目標可知系統為輸出電流受控的電壓型有源逆變器，逆變器的輸出側呈現受控電流源特性。系統的控制部分采用TI公司生產的高速DSP芯片TMS320LF2407A作為控制核心，外擴直流電壓、直流電流、電網電壓和并網電流等檢測電路，通過實時檢測電網電壓和并網電流等參量，由軟件完成并網電流的鎖相同步功能。系統采用單極性SPWM控制方式，單相全橋結構的兩個橋臂分別輸出相位差互為180的高頻SPWM波，經過電感濾波后，去除高頻載波信號，向電網饋入高質量的正弦電流波形。由圖1可知，光伏陣列接收的能量先經過全橋逆變和電感濾波，再由升壓變壓器隔離、升壓后以受控電流源的方式并入電網，整個系統和電網隔離，運行安全可靠。

圖1 主電路及控制結構

1．2 系統逆變環節的數學模型

圖1中取流經濾波電感L的電流iL為狀態變量，則由圖1可得并網逆變器的功率輸出側電壓方程

式中：Uab為未經濾波的逆變器輸出SPWM波；

n為升壓變壓器的變比；

r為濾波電感、變壓器和線路的等效電阻。

由式（1）經過拉氏變換，可解出

當逆變器的開關頻率較高時，忽略開關器件和死區的影響，則SPWM控制方式下的橋式逆變器可近似為一個等效的放大系數為K的放大環節，即

G（s）=Kpwm （3）

由式（2）及式（3）可得到系統的并網電流閉環結構圖，如圖2所示。

圖2 電流閉環結構圖

1．3 逆變輸出側電壓矢量圖

由式（1）可得功率輸出側的電壓矢量圖，如圖3所示。

（a）r=0 (b)r≠0

圖3 電壓矢量圖

2 系統的控制方式

為了使逆變器輸出良好的并網電流波形，必須對逆變器的輸出并網電流進行閉環控制。死區、逆變器內部的不對稱因素、直流側電壓和電網等擾動的存在都會使得逆變器輸出的并網電流波形畸變，當采用傳統的PI控制來跟蹤正弦給定信號時，存在如下一些局限性：

1）當跟蹤信號為快速變化的正弦波時，從理論上來說，整個系統是個有差系統，不可能做到無靜差跟蹤；

2）雖然可以通過增大比例系數來減小穩態誤差，但是，比例系數增大會導致控制精度降低，甚至會使系統產生振蕩；另外，增大比例系數還可能會同時放大噪聲信號，因此，比例系數不可能取得太大。

由此可知，傳統的PI控制在本系統中并不能實現系統的無靜差跟蹤，而近年來提出的基于內模原理的重復控制不僅可以實現系統的無靜差跟蹤，而且能夠抑制負載的周期性擾動，有效降低并網電流波形的THD。

2.1 重復控制

20世紀80年代，Inoue等人根據內模原理的思想提出了重復控制理論。它是利用內模原理，在穩定的閉環系統內設置一個可以產生與參考輸入同周期的內部模型，從而使系統實現對外部周期性參考信號的漸近跟蹤。包含這一模型的控制器被稱為重復控制器，具有這種控制器的系統被稱為重復控制系統，如圖4所示。

圖4 重復控制框圖

圖4中虛線框內為重復控制器，由周期延遲正反饋環節和補償器S(z)組成。P(z)為控制對象的傳遞函數，d為擾動信號，N為每周期采樣次數，S(z)為重復控制器的一個補償環節，目的是改造控制對象，使系統在中低頻段為單位增益，增加系統的穩定裕度[5]。本實驗中，開關頻率為10kHz，輸出并網電流的頻率為50Hz，故N為200。當誤差e每周期出現時，重復控制器的輸出逐周期累加，當e=0時，重復控制器的輸出并不消失，只是停止變化，維持上次的波形，并且逐周期地輸出此波形。在一般的重復控制系統中，為了得到較好的動態性能，通常把重復控制器嵌入到常規的控制環內。

由圖4可知，系統內模部分的脈沖傳遞函數為

對于理想的重復控制系統來說，跟蹤參考信號的頻率范圍應該為無窮大，而實際應用中，跟蹤任意高的頻率信號是不可能的，因此，Q(z)應具有低通特性，以對周期性干擾產生良好的抑制作用。Q(z)與系統的收斂速度和收斂程度密切相關，若Q(z)=1，則系統在穩態時將徹底抑制周期性干擾；但考慮到穩定性，則Q(z)=1時系統的穩定性和魯棒性較差。故在實際設計時，Q(z)可取為比1稍小的數。本實驗中，Q(z)取為0.95。

2.2 電網電壓的前饋控制

重復控制能夠對周期性的正弦給定信號實現無靜差跟蹤，而且輸出波形畸變率小，但由于對誤差的跟蹤控制滯后一個給定信號周期，因而動態性能較差，尤其對于負載等的瞬時擾動信號，重復控制近似于開環控制，此時系統的輸出波形畸變較嚴重，因此，為了及時抑制電網等的瞬時擾動，本系統采用了電網前饋控制策略，以抵消電網的影響，使系統近似成為一個無源跟隨系統，從而簡化了系統的控制結構，改善了系統的控制效果。在直流側電壓一定時，電網電壓前饋環節的增益應為系統逆變橋路增益的倒數，即1/Kpwm，從而實現電網電壓的精確對消，使系統更加接近于一個無源跟隨系統。前饋控制框圖如圖5所示。

圖5 前饋控制框圖

3 系統控制框圖

系統控制框圖如圖6所示，包括兩個控制環，外環為直流電壓環，內環為并網電流環；外環的給定電壓值是光伏陣列的最大功率跟蹤[6]（MPPT）模塊輸出值，反饋值為光伏陣列電壓值，對誤差進行PI調節后，外環輸出iref作為并網電流內環的電流幅值給定；iref乘以離散的正弦值后作為電流內環的離散值給定，電流內環采用重復控制，其等效傳遞函數為Gc(s)，重復控制器逐基波周期地累加給定電流和反饋電流的偏差e，并輸出相應的控制量以改善輸出電流波形，此處的重復控制器相當于直流電路中的積分調節器作用；同時，由圖6可知，電網電壓前饋環節的傳遞函數為

圖6 系統控制框圖

即采用電網電壓的前饋控制后，電網的影響被完全抵消，系統基本上成為一個無源跟隨系統；也就是說，在并網電流給定值為零的情況下，通過前饋控制計算出一個和電網電壓相對應的占空比，用來抵消電網電壓的影響，使系統近似成為一個無源跟隨系統。


4 實驗結果

根據以上分析，本文進行了具有MPPT功能的光伏并網逆變器的實驗研究，實驗參數如下：開關頻率為10kHz，濾波電感0.6mH，變壓器變比為230/180，控制芯片采用TI公司生產的高速信號處理器TMS320LF2407A，控制方式采用重復控制和電網電壓前饋控制。其實驗波形如圖7所示，CH1為并網電流波形，CH2為電網電壓波形。由實驗結果可以看出，采用上述控制策略時，并網電流波形較好，完全能夠滿足THD的要求。