張 敏 江 博 楊 磊 秦偉祥

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和世界人口的持續(xù)增加，太陽能的大規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)成為世界各國共同研究的課題，而光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢。作為并網(wǎng)系統(tǒng)的核心部件，并網(wǎng)逆變器的開發(fā)已經(jīng)成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)問題。目前，市場上主流的逆變器基本上都是通過控制逆變器的輸出電流，來實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)所要求的逆變器的輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相。本文不僅僅單純的控制逆變器的輸出電流，而且增加了直流側(cè)穩(wěn)定電壓的控制，很好的實(shí)現(xiàn)了逆變器的輸出功率因數(shù)為1，達(dá)到逆變器的輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相的要求。

2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為獨(dú)立光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1中，CHO為帶最大功率控制的DC/DC升壓開關(guān)電路，右側(cè)交流輸出部分為含LC濾波器的三相PWM逆變器（INV，以下簡稱逆變器）。逆變器的輸出電流為i0，波形為不含直流成分的正弦波，且功率因數(shù)控制為1。本系統(tǒng)的濾波電容Ca上流過的電流為ic，通過直流電壓ed的控制，使i0變化，在滿足上述指標(biāo)下，得到一種線性化直流控制規(guī)律。

3 光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)

3.1 光伏系統(tǒng)對并網(wǎng)逆變器的要求：

（1）將光伏電池的直流電轉(zhuǎn)換成適合電網(wǎng)的交流電，功率因數(shù)近似為單位功率因數(shù)。

（2）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護(hù)要求，如輸出過載保護(hù)、輸出短路保護(hù)、輸入接反保護(hù)、直流過保護(hù)、交流過壓保護(hù)和欠壓保護(hù)、“孤島”保護(hù)等，從而確保系統(tǒng)的可靠性。

（3）最大功率點(diǎn)的跟蹤，最大限度的利用太陽能電池，以提高逆變器的效率。

3.2 逆變器主電路的設(shè)計(jì)

并網(wǎng)逆變器按控制方式可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電壓控制四種。本文所采用的逆變器類型是電壓源輸入、電流源輸出的控制方式。逆變器的主電路如圖2所示。

圖2 逆變器主電路圖

3.3 使逆變器輸出功率因素為1的控制

如圖1所示，在不考慮電網(wǎng)側(cè)電壓Us情況下，cosφ＝1的控制主要是指如何使i0和檢測出的Ua同相位，由逆變器交流輸出可以寫出如下關(guān)系式：

當(dāng)太陽能電池的輸出功率減小，亦即電流ia減小時(shí)，輸出電流i0將主要由電容Ca供給放電電流ic，則cosφ＝1的控制如圖3虛線部分所示。ia是由ea直接控制的，故ia控制是主要的控制環(huán)節(jié)。利用Ua進(jìn)行前饋控制，則ea的指令值可表示為

控制的目標(biāo)是使ea和相等，亦即

式中，T( S)＝G（iS）/[LaS+G（iS） ]。T(S)為ia的閉環(huán)傳遞函數(shù)，再由公式（2）可求出電流指令，由ic=ia- i0的前饋控制，得到：＝+ic。

再看i0控制環(huán)節(jié)，i0的傳遞函數(shù)為

則在ω=ωs時(shí)T(S)=1，相位為0。其控制結(jié)果可做到cosφ＝1。Gi(S)的系數(shù)由式（4）來求取，當(dāng)穩(wěn)定時(shí)，ω≤ωs，T(S)≈1或選為T(S)=0；當(dāng)過渡過程變化不太快時(shí)，功率因數(shù)亦可認(rèn)為為1。

3.4 直流電壓穩(wěn)定的控制

逆變器直流輸出回路方程式及直流與交流功率的關(guān)系式如下：

圖3 逆變器控制系統(tǒng)框圖

設(shè)直流電壓控制系統(tǒng)的外部干擾為icp，由式（6）可見，ed受控于id，而由式（7）可見，id可通過eaia進(jìn)行控制。ia雖可通過ea控制，但具有耦合性，故不能單獨(dú)控制，需將式 （6）、式（7）通過顯性化處理后才能進(jìn)行。由于對象是單相逆變器，故ea將按周期為1/2fs產(chǎn)生脈動(dòng)（fs為電源頻率控制時(shí)應(yīng)使es在1/2fs時(shí)的平均值為0，即可消除逆變器輸出的直流成分。前述采樣器S/H的周期設(shè)定為1/fs，則Ed的直流成分將按平均值來控制。若以ia的相位作為基準(zhǔn)，則按式（7），直流成分作可線性化處理（△表示在采樣周期內(nèi)）

假設(shè)ea和ia的相位變化Δφ很小，則cosΔφ≈1，sinΔφ或Δφ接近0。此時(shí)，認(rèn)為cosφ（0Ea0+ΔEa）和Ia0+ΔIa0為同相位。這里，ed和id的直流成分為Ed、id0，ea和ia的振幅值為Ea、Ia。

在一個(gè)采樣周期內(nèi)，ic的振幅變化量Δic非常小，故產(chǎn)生的ΔUa也很小，可以忽略不計(jì)。至于增量ΔEa和ΔIa間的關(guān)系，可用以下公式來表示，即ΔEa=LaSΔ Ia，ΔIa*＝ΔI0*cosφ0?；趫D3，考慮上述關(guān)系后，可繪出電壓控制環(huán)節(jié)在平衡點(diǎn)附近的框圖，如圖4所示。該圖中，關(guān)鍵部件是電壓補(bǔ)償器GV(S)。

GV(S)在設(shè)計(jì)時(shí)是考慮到太陽能電池為特殊電源，其發(fā)電量由于日照和溫度的影響緩慢地變化；電壓控制的帶寬是考慮到T(S)和S/H為1的情況下來選定頻域的，因此該控制系統(tǒng)可簡化為一階慣性，即

3.5 仿真結(jié)果

在確定了控制方法的有效性后進(jìn)行了仿真研究。如圖3所示，系統(tǒng)中電流控制器Gi(S)選用標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)ITAE，控制器的頻帶寬為500rad/s，則可定出常a3=0.59，a2=69，a1=3.4×104，a0=2.1×106。GV(S)電壓控制器的帶寬選為25rad/s，其放大系數(shù)和時(shí)間常數(shù)分別為KPV=0.1，TV=0.5。系統(tǒng)中逆變器的開關(guān)頻率選為18kHz，采用SVPWM矢量控制的方法產(chǎn)生PWM波形對逆變器進(jìn)行控制。

圖5為控制逆變器輸出電流的SVPWM子模塊。通過電壓、電流雙閉環(huán)回路產(chǎn)生控制并網(wǎng)逆變器的PWM波。

圖6為在SVPWM控制下的逆變器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可得到功率因數(shù)為1的畸變很小的交流電流ia。由于系統(tǒng)中直流電流的調(diào)節(jié)作用，ia幾乎與光伏電池發(fā)電量的大小無關(guān)。雖然光伏電池的發(fā)電功率會(huì)時(shí)刻變化，但是電壓環(huán)節(jié)仍然能穩(wěn)定可靠的工作。

圖4 電壓控制環(huán)節(jié)在平衡點(diǎn)附近的框圖

圖5 SVPWM模型

圖6 逆變器穩(wěn)定工作時(shí)的仿真波形

4 結(jié)論

該逆變器控制系統(tǒng)的特點(diǎn)為：不僅單純地控制交流電流，而且附加了穩(wěn)定直流電壓的控制。通過研究得出了以下的結(jié)論：

（1）電源側(cè)的輸出電流與太陽能電池發(fā)電大小無關(guān)，即使過渡過程中也能保cosφ＝1。

（2）輸出電流ia的直流成分得到了有效的控制。

（3）電壓控制器的非線性模型經(jīng)過線性化的設(shè)計(jì)，保證當(dāng)電池板的發(fā)電量變化時(shí)，交流輸出電流恒定，確認(rèn)控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

（4）采用了SVPWM的控制方案，大大提升了系統(tǒng)的性能。

[1] 董密,羅安.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的設(shè)計(jì)與控制方法[J]電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2006,10(25).

[2] 任奇,李永晨.單極式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J]電力電子技術(shù),2008(1).

[3] 羅運(yùn)俊,何梓年,王長貴.太陽能利用技術(shù)[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.1.

[4] 黃漢云.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用原理[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.3.

[5] 王長貴,王斯成.太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.10.