基于改进型PI控制级联单相光伏逆变器的研究与仿真

姜婷婷，李先允，彭 浩，周 宇，杨 丽

（1.南京工程学院 电力工程学院，江苏 南京211167；2.江苏省电力公司检修分公司 江苏 连云港222000）

基于改进型PI控制级联单相光伏逆变器的研究与仿真

姜婷婷1，李先允1，彭 浩2，周 宇1，杨 丽1

（1.南京工程学院 电力工程学院，江苏 南京211167；2.江苏省电力公司检修分公司 江苏 连云港222000）

传统PI控制策略在光伏逆变器运用广泛，但传统PI控制大都因为参数值不精确，而造成波形畸变严重，电能质量下降，因此，提出了改进型PI控制的级联式单相光伏逆变器。本文介绍了级联单相光伏逆变器系统及其逆变器数学模型，介绍了逆变器参数计算方法,针对传统PI控制的不足，改进了PI控制，此控制方法可实时对参数合理动态调整，降低了谐波，提高了电能质量。在Simulink环境中搭建级联单相光伏逆变器模型，基于传统PI控制和改进型PI控制进行了仿真，通过仿真结果对比，充分地说明了改进型PI控制较传统PI控制有较大的优越性。

光伏并网；改进型PI控制；单相光伏逆变器；仿真

能源短缺已严重威胁了人类的生存和发展，因此开发,利用新能源具有重要的战略意义，太阳能以其独具的可再生无污染优势受到人们的青睐，光伏并网发电是利用太阳能的有效方式之一，而并网逆变器作为光伏发电系统的核心部分，其控制系统的好坏对于整个并网系统的性能具有重大的影响，光伏并网发电系统要求并网逆变器能够输出正弦波电流，实时跟踪电网电压频率和相位，而且电流的总畸变失真要低，以减小对电网谐波的影响［1-3］。

对于光伏逆变器的研究也越来越受到关注，而控制策略是逆变器最核心的技术，目前，主要采用滞环比较控制，PI控制，无差拍控制，滑模变结构控制，重复控制等控制策略［4-7］。其中PI控制策略是工程上广泛应用且较为成熟的方法［8］，该方法简单、容易实现、动态性能好，但是PI控制可能因为参数初值选择不佳造成误差较大的问题,影响电能质量。本文提出了改进型PI控制的级联式单相光伏逆变器，可实时对参数进行合理动态调整，提高了系统的动态性。通过设计级联式单相光伏逆变系统，并在 Simulink环境中搭建模型进行仿真，取得了良好的逆变控制效果，仿真结果充分地说明了改进型PI控制动态性能较好。

1　级联单相光伏逆变器系统及其逆变器数学模型

1.1级联单相光伏逆变器系统主电路

太阳能电池阵列将接收到的太阳能量直接转换为直流电压，其次DC/DC电路升压，然后经过逆变器的输出端输出高频SPWM波,其基波为正弦波，经过电感滤波后向负载输入正弦波电流。

图1所示为光伏发电系统主电路控制框图。

图1　光伏发电系统主电路控制框图

1.2级联单相光伏逆变器电路数学模型

本文采用如图2所示逆变电路及滤波电路，不考虑晶闸管关断开通时间、滤波饱和等。

图2　逆变电路及滤波电路

设开关函数：

逆变电路输出端到滤波电路输出端之间的传递函数为：

设开关函数：

可得到逆变后得到的电压：

由于开关函数的存在，式（2）是不连续的，在一个开关周期内对其进行平均，可以得到：

设PWM波的调制波电压为Uref。双极性SPWM控制方式的占空比为：

并且可以得到开关函数S′的平均值：

由上可得，逆变电路和滤波电路的开环传递函数：

本文结合工程经验，取滤波电感L为2 mH，取滤波电容C为6 μF。

2　级联单相光伏逆变器控制系统

PID控制算法以原理简单，参数易于设定，得到了广泛的应用，成为最为经典的控制算法。在当今应用的工业控制器中，有半数以上采用了PID或者变形PID控制方式。本文也采用了改进PID控制策略，以提高系统动态性能。

2.1传统PI控制参数选择的局限性

对于传统PI控制算法，其时域方程为：

式中，kp为比例控制参数，ki为积分控制参数，y（t）为PI控制器输出的控制信号，e（t）为输入PI控制器的误差。

由上可知，输出的控制信号是由控制参数，决定的，然而在实际运用中，控制参数，很难精确计算，总会存在误差，目前主要依赖于人工调节方法，此方法不仅耗费人力物力，而且控制参数精确度调节并不理想。

2.2改进PI控制算法

本文通过对传统PI控制改进，使其可以自动调节参数，改善输出波形。改进型的PI控制框图如3所示。

图3　改进PI控制框图

控制器A采用经典的PI控制，在第k个周期，其控制参数为kp（k）、ki（k）。在第k+1个周期内，将输出电压与参考电压进行比较，得到第一个周期的电压误差E（k+1）。误差信号E（k+1）被送入误差比较模块。在误差比较模块中，误差信号E（k+1）与上一个周期（第k个周期）的误差信号E（k）进行比较，产生误差变化信号：

误差变化信号△E（k+1）被送入控制器B中。控制器B的作用是调整控制器A中PI控制的控制参数。根据式（9），控制参数kp、ki在控制器B中进行调整：

其中：sp与si为控制参数周期调整系数，一般可以取：sp为0.1，si为0.01。

同理，将此次的误差信号与上一周期的误差信号进行比较，控制器C根据误差信号的变化情况，向控制器D送出新的PI控制参数，经由控制器D计算后，送至PWM生成器，生成PWM信号，驱动IGBT工作。

改进PI算法可对参数自我调整，改善波形，提高电能质量，本文逆变电路控制方式采用逆变电路采用电压环、电流环双闭环控制，均采用改进的PI控制器。电压外环控制输出电压跟踪基准正弦波电压的变化，其改进型PI控制器control的输出，作为电流的给定值。电感电流内环控制电感电流跟踪PI控制器control1输出的电流给定值，提高逆变器系统的动态响应能力。

3　逆变器仿真及分析

本文仿真主要分为两个方面，首先在Simulink搭建了基于传统PI控制光伏逆变器、改进PI控制光伏逆变器，通过波形分析，比较改进PI控制光伏逆变器效果。其次在Simulink搭建了级联式光伏逆变器系统仿真模型，查看进型PI控制算法在并网模型中效果。本文参数都采用以上已给出的参数，若没有给出，则采用工程中常用参数。

3.1传统PI控制及改进PI控制算法仿真结果对比

本文在Simulink搭建了基于传统PI控制光伏逆变器、改进PI控制光伏逆变器，仿真结果如图4、5所示。

图4　传统PI控制仿真结果

图5　改进PI控制仿真结果

如图4所示输出电压仿真波形可知，由于初值设置并不准确，输出波形与参考值一直存在误差，由此可知，传统PI控制不能自动调节不合理参数，可能会造成电能质量下降。如图5所示改进PI控制仿真结果可知，由于控制参数初值不合理，刚开始输出波形与参考波形有误差，经过半个周期，PI控制调整器自动调节参数，经调节至0.03 s时，输出波形与参考波形误差基本可以忽略。由上分析可知，改进PI控制算法可以自动调整控制参数，克服控制参数初值选择不合理造成输出波形不准确问题，相比传统PI控制具有较大优势。

3．2级联式光伏逆变器系统仿真结果及分析

本文在Simulink搭建了级联式光伏逆变器系统仿真模型,通过仿真，波形如图6所示。

图6　级联式光伏逆变器系统仿真结果

如图6所示可以看出，并网电流在第一个周期，出现了较大波动。但经由控制器调整后，误差得以迅速缩小，并网电流呈正弦波形，与电网电压同频同相。说明改进型PI控制算法在并网模型中可取得良好的效果。

图7　并网电流的FFT分析

通过Simulink中powergui模块中的FFT分析功能也可以对输出电流进行分析。如图7所示，从参数调整后，0.02 s开始，检查4个周期的波形，其并网电流谐波THD=4.42%，由FFT分析可知，谐波明显下降，因此，级联式光伏逆变器系统使用改进PI控制可提升电能质量。

4　结论

传统PI控制策略在光伏逆变器运用广泛，但传统PI控制往往因为参数值不精确，而造成波形畸变严重，电能质量下降。本文通过对传统PI控制进行改进，可实时调节参数，改善波形输出，提高了电能质量，通过在Simulink搭建了级联式光伏逆变器系统仿真模型，由仿真结果分析得出通过参数动态调整，基于改进型PI控制级联式光伏逆变器系统有效降低谐波并改善了输出波形，验证了改进型PI控制较传统PI控制具有较好的优越性。

［1］赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等.太阳能光伏发电及其应用［M］.北京:科学出版社，2005.

［2］杨水涛,张帆,刘金云，等.一种新型半桥逆变器电容均压控制策略［J］.电工技术学报,2006,21（7）:31-36.

［3］曾正,赵荣祥,汤胜清，等.可再生能源分散接入用先进并网逆变器研究综述［J］.中国电机工程学报,2013,33（24）:1-12.

［4］张犁,孙凯,冯兰兰，等.一种模块化光伏发电并网系统［J］.中国电机工程学报,2011,31（1）:26-31.

［5］焦保帅,尹 斌,陶树建.基于单神经元PI控制的逆变器系统仿真［J］.电子设计工程,2012,20（5）:103-105.

［6］袁晓玲,范发靖,周素梅.5kW光伏并网发电系统及其仿真研究［J］.电子设计工程,2011,19（22）:140-143.

［7］王川川，朱长青,顾闯.逆变器双环控制算法仿真研究［J］.电子设计工程,2011,19（4）:78-80.

［8］郑征，陶海军.模糊自适应PI调节在三相PWM整流器中的应用［J］.电气应用,2005,24（9）:65-68.

Research and simulation of cascaded single-phase photovoltaic inverter based on modified PI control

JIANG Ting-ting1,LI Xian-yun1,PENG Hao2,ZHOU Yu1,YANG Li1
（1.School of Electric Power Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China；2.Department of Jiangsu Electric Power Company's Maintenance Branch，Lianyungang 222000,China）

Traditional PI control strategy is widely used in photovoltaic inverter,but because of inaccurate parameter values of the traditional PI control,it's caused serious waveform distortion and power quality decline mostly.Therefore,it proposes a modified cascaded PI control single-phase photovoltaic inverter.This paper introduces the cascade of single-phase photovoltaic inverter system,inverter mathematical model and the method of inverter parameter calculation.Aiming at the shortcomings of traditional PI control,it modifies PI control which can adjust dynamically parameters in real time and reduce the harmonic and improve power quality.It builds a cascade of single-phase photovoltaic inverter model in the Simulink environment,and it simulates based on the traditional PI control and modified PI control.By comparison with the simulation results,it fully illustrates that the modified PI control than traditional PI control has great superiority.

photovoltaic grid；modified PI control；single-phase photovoltaic inverter；simulation

TN99

A

1674－6236（2016）13-0129-04

2015-07-16稿件编号：201507124

江苏省2014年度普通高校研究生实践创新计划项目（SJZZ14-0201）

姜婷婷（1991—），女，江苏连云港人，硕士研究生。研究方向：电力系统运行与控制。