隔离型离网逆变器控制策略研究

略展开了研究。首先建立了电感电流比例控制、电容电压比例积分(PI)控制的双环控制模型。为了降低负载对

输出电压的影响，提出了基于负载电流前馈的输出阻抗重构控制策略，有效地抑制了负载效应。针对基于PI 的双环控制逆变器输出电压精度低、带非线性负载时低次谐波含量大的问题，提出了基于准比例谐振(PR)控

制器的电压外环控制方式，实现了对给定信号的闭环无静差跟踪，降低了谐波频率点输出阻抗，减小了对应频

率点输岀电压谐波含量。最后，设计了 1.5 kW的原理样机，并验证了所有设计。关键词：逆变器；准比例谐振；电压外环控制中图分类号:TM464 文献标识码：A 文章编号:1000-100X(2019)06-0068-04Research on Control Strategy of Isolated Off-grid InverterHAO Zhen-yang, GAN Yuan , PU Cheng, CHEN Hao-lei(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics , Nanjing 211106, China)Abstract: With the introduction of smart grids, microgrids composed of distributed grids have been widely studied by

scholars at home and abroad. The off-grid inverter control strategy is studied. Firstly, a double -loop control model of in­ductor current proportional control and capacitor voltage proportional integral(PI) control is established.In order to re­

duce the influence of load on output voltage, an output impedance reconstruction control strategy based on load cur­

rent feedforward is proposed which effectively suppresses the load effect.Aiming at the problem that the output voltage of the double-loop controlled inverter based on PI is low and the low-order harmonic content is large with nonlinear load , a voltage outer loop control method based on quasi proportional resonance (PR) controller is proposed to realize

the given signal.The closed-loop has no static difference tracking which reduces the output impedance of the harmon­ic frequency point and reduces the harmonic content of the output voltage of the corresponding frequency point.Final­

ly ,a 1.5 kW prototype is designed and all the designs are verified.Keywords: inverter ； quasi proportional resonance ； voltage outer loop1引言近年来，随着能源枯竭和环境污染问题的愈 演愈烈，人们不得不把关注的焦点转移到清洁、高 效的新能源上。太阳能、风能、地热能等新型能源 逐一被提上日程。而太阳能，作为新能源中的典型 代表更是被各国学者作为重点研究对象。光伏逆

航天系统等，PI控制往往很难满足系统的要求。 针对工作在离网模式下的逆变器，介绍了一种能

实现对给定正弦波信号的零误差跟踪控制叫根据 内模原理，为了实现对交流信号的无静差跟踪，系

统模型需包含交流信号的频域模型。交流信号的 频域模型是一阶谐振环节，并在谐振环节中加入

变器是光伏微电网中的重要组成部分。传统控制

比例调节器，以保证系统的动态响应，这样就构成

算法对负载电流的控制有滞环控制〔T、PI控制等。 电流滞环控制是基于电流暂态的控制，具有动态

了 PR调节器，由PR环节的波特图可以看出，系 统在谐振频率点的增益接近无穷大，但带宽很窄，

响应快、鲁棒性能好等优点，但其输出频谱范围 宽，滤波难度大。传统P1控制⑴具有原理简单、使

因此系统的抗扰动性很差。为了增加系统的稳定 性，在PR控制器中加入一阶高增益低通滤波环 节，在保证谐振频率点处高增益的同时增加了带 宽，提高了系统的鲁棒性。用方便、鲁棒性强等优点，但在对控制精度和响应

速度要求很高的系统中，如机器人伺服系统、航空定稿日期:2018-10-18

作者简介：郝振洋(1981-),男，江苏南京人，副教授，研究

2控制策略研究为满足系统稳定性需求，采用前级Boost电路、 中间级LLC谐振电路、后级单相逆变桥的三级式方向为微电网用电力电子变换器及其并网控制技术。

68隔离型离网逆变器控制策略研究拓扑结构。前级电路主要完成启动过程中对直流 母线的充电及太阳能电池板的最大功率追踪。第 二级为髙频电气隔离直流变换器，它首先将直流

电能变换成高频交流电能后，再利用高频隔离变

压器进行变压、匹配和电气隔离，而后再将高频交 流电能整流成直流电能。第三级为逆变部分，主要 将直流电能逆变成负载所需的电能。图1为光伏

离网逆变器主电路。门2卄Crh 2V3-0 V44QC1IT VD11 3Lp*~V|'AiacQ图1光伏离网逆变器主电路Fig. 1 Photovoltaic off-grid inverter main circuit2.1基于负载电流前馈的输出阻抗重构策略

采用电感电流为内环时，负载电流位于内环

外部，负载效应不能很好地被抑制，输出特性较 软，尤其是在带非线性负载的情况下，输出电压波 形畸变严重。因此，以电感电流为内环时，需要将

负载电流引入到内环中。图2为基于负载电流前 馈的双环控制框图。图2双环控制框图Fig. 2 Double-loop control diagram为了简化前馈环节，设a(5)= l,此时即为负 载电流单位前馈。当引入负载电流单位前馈后，逆 变器可以等效为电容电流控制。但电容电流的成

分很小，且谐波含量很大，不利于釆样。且逆变器 并联过程中需要采集输出电流信号，为负载电流

前馈提供了硬件实现基础。ZoLZO/u+zoyo+GKsMpwMfGO+y/s)]}( 1)图3为有无单位负载电流前馈输出阻抗对比

图，从阻抗图中可以看出，加入负载电流单位前馈 后,0-100 Hz频段内输出阻抗显著减小，但在

100-500 Hz频段内输出阻抗依然较大，谐波电流

会在输出阻抗上形成谐波压降，从而使逆变器输

出电压谐波含量增加。然而，当逆变器带非线性负

载时，负载电流中大量的谐波集中于100-500 Hz 之间，只加入负载电流单位前馈不能满足输出电

压低次谐波含量要求。对于单相逆变器带非线性 负载的情况，会有大量的谐波存在，但大多数谐波 集中于3,5,7,9等奇次谐波。2oH op'2 p-o m _4o加入单位前馈

/(9

<

O莘o 宏

无-9O

HZ

图3输出阻抗对比图Fig. 3 Comparison of output impedance2.2 基于准PR控制由上述分析可知，当采用负载电流前馈策略 时，对于逆变器带非线性负载情况，会存在大量奇

次谐波，因此需要对这些频率点进行衰减。根据内 模原理，采用谐振控制器来减小单个谐振点的输 出阻抗。为了增强谐振环节的动态响应和抗干扰

能力，组合比例和谐振环节构成PR控制器，其传

递函数为：Gm(s)=kPf(+2kTs/(s2+a)^')

(2)式中Mm为比例环节增益；3。为指定谐振点角频率；*为

谐振环节增益。图4为PR的波特图，其中編=1,5)=100“ rad- S~',k=5o可见，PR控制器在如处的增益几乎是无 穷大，可实现对交流信号的闭环无静差跟踪。但其

在谐振点处增益大、带宽窄、抗扰动能力差，很容

易导致系统不稳定。并且受数字控制的精度影响,

准确调节谐振点在现实控制中是很难实现的。因

此经常在PR控制器中加入一阶高增益低通滤波 环节，保证了在谐振点高增益的同时，增加了控制

器的带宽，降低了系统的灵敏度，这就是准PR控

制器，其频域表达式如下：G((3)式中：処为剪切频率。HP也、溼(。)、色異

/H Z

图4 PR控制波特图Fig. 4 PR control Bode diagram图5示出准PR的波特图，其中呱= 1,3。= IOOtt rad-s_1,A:r=5 ,o)c=10 rad-s'1 o 当逆变器带非线

性负载时，负载电流中含有大量的谐波，理论上控69第53卷第6期电力电子技术2019年6月Power ElectronicsVol.53, No.6June 2019制器需要包含基波和所有谐波的内模，但这样会 导致系统复杂，现实中难以实现。当逆变器带非线

性负载时，负载电流谐波幅值往往与频率成反比, 因此只需要将低次谐波植入到控制器中即可。该

系统将1,3,5,7,9次谐波植入到控制器中，其表

达式如下：GuPR=«Pr+ 丫2k炉揷(4)/1=1,3,5,7,9图5准PR控制波特图Fig. 5 Quasi PR control Bode diagram通过合理地设计准PR控制器的参数，其基波

比例谐振控制器的表达式如下：6^=0.077+2005/(^+205 + (2ttx50)2]

(5)图6为采用式(5)的控制器后，电压外环的开

环和闭环波特图。由图6a可知，电压外环的截止

频率为708 Hz,相角裕度为64。。相比于PI控制 器外环，截止频率相近，虽然相角裕度降低，但仍 在稳定范围内。由图6a可知，开环在50 Hz处增 益为53.3 dB,开环基频增益很大。由图6b可知, 在50 Hz处增益接近OdB,说明了 PR控制器可 实现对基波信号的无静差跟踪。(b)闭环波特图图6开环和闭环波特图1Fig. 6 Open-loop and closed-loop Bode diagram 1图7为加入谐波谐振器后的开环和闭环波特图。图7开环和闭环波特图2Fig. 7 Open-loop and closed-loop Bode diagram 270由图7a可知，外环的截止频率为802 Hz,相 角裕度为51.5%加入谐波谐振环节后，开环截止

频率增加，相角裕度降低，但依然能够保证系统稳

定。开环波特图在基波和谐波频率点均具有较大 的增益，能够很好地跟踪指定频率点的信号。图8为电压环控制器为PI和PR时的输出阻

抗对比图。可见，相比于PI控制器，采用PR控制 器时，在基波和3,5,7,9次谐波频率处输出阻抗

均有大幅减小，有效抑制了负载电流低次谐波对 输岀电压的影响。(。)、色是

图8不同控制器时的输出阻抗对比Fig. 8 Output impedance comparison for different controllers3实验结果为验证上述理论，设计了一款1.5 kW的原理 样机，现将实验结果分析如下。逆变器带非线性负载时输出电压总谐波畸变

率(THD)大，为了能够直观地反映谐波准PR控制

器的作用，先加入基波谐振环节，然后依次加入谐 波谐振环节。图9为加入基波准PR控制的实验 波形及输出电压加D。输出电压7770=2.479%,3,

5,7,9次低次谐波含量较大。((吏

芝

%Vw

00 0一 2

)寸

0.53579 全部

〃(10 ms/格)谐波次数(a)输岀电压、电流波形(b)输出电压的77/D图9基波准PR控制实验波形Fig. 9 Experimental waveforms of basic wave quasi PR control依次加入谐波准PR控制器后，谐波含量变化 趋势如图10所示。可见，随着低次谐波准PR控

制器的加入，总谐波含量逐渐降低。加入指定次谐 波准PR控制器后，对应次谐波含量明显降低。验

证了准PR控制器对消除指定谐波的作用。但谐 波准PR控制器的加入会提高其他次谐波含量,5次

准PR的加入使3次谐波含量增加了 0.105% ,7次 准PR的加入使5次谐波含量增加了 0.075%。隔离型离网逆变器控制策略研究当突加50%负载时，输出电压有10 V左右跌

落，经过约0.8 ms恢复。当突减50%负载时，输出 电压也有10 V左右增加，经过约0.6 ms即恢复

0.5正常运行。相比于PI-P双环控制，基于准PR控制

3579 全部

谐波次数0的逆变器动态过程波动相似，但动态调节时间略长。图10谐波趋势4结论介绍了一种隔离型离网逆变器，并采用前级

Boost电路、中间级LLC谐振电路、后级逆变电路

Fig. 10 Harmonic trend加入3,5,7,9次谐波后输出实验波形及电压

THD如图11所示。此时输出电压THD已降至

1.731%,低次谐波含量也都有相应的减小。3 \\5 2 15 1 50.

0

三级式拓扑。其中，LLC谐振电路主要是为了实现 高频隔离，当开关频率略低于谐振频率时，逆变器

可在满载范围内实现初级开关的零电压开关，降 低了开关管的损耗。对于离网型逆变器，此处采用

(垂

帘淄护辭迤3

5

____I%比例谐振控制器来降低单个谐振点的输出阻抗, 从而减小输出电压的总谐波畸变率。Fig. 11 Experimental waveforms with harmonic quasi PR control

[2]

负载输出电压、电流实验波形。[3]

(弊

(宰

(姜 <

Fig. 12 Waveforms of suddenly loaded and suddenly uninstalled(上接第34页)用，利用其输出电流幅值、相位均可

调的性质，设计合理的控制策略实现零序环流抑制

功能，同时在电网无功需求较大时实现无功补偿功 能，使SVG的功能达到最大化利用。最后，RTDS

[5] [6]

实验验证了所提控制策略的有效性。参考文献[1]

徐 琳，刘静波，甄 威，等.基于半实物实验平台的

[2]

[3]

vow//(10 ms/格)7%|(a)输岀电压、电流波形7 9 全部谐波次数(b)输出电压的7WD参考文献[1]

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