郭立杰，諸嘉慧

（1.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京100044；2.中國電力科學(xué)研究院，北京100192）

隨著全球石油、煤等不可再生資源的短缺，世界各國都在積極尋找高效環(huán)保的可再生能源。眾所周知，太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源，光伏發(fā)電因為其絕對干凈、不產(chǎn)生公害的優(yōu)勢越來越受到人們的認(rèn)可和關(guān)注。為此，本文對光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，以三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路為研究平臺，研究了前饋補(bǔ)償、電路參數(shù)設(shè)計、最大功率跟蹤等問題，有效改善了系統(tǒng)的并網(wǎng)電流波形，獲得了較理想的單位功率因數(shù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理分析

三相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路如圖1所示。圖1中C1，C2為直流側(cè)支撐電容，其作用是穩(wěn)定光伏電池輸出的直流電壓；在電容側(cè)各自并聯(lián)一個電阻可以達(dá)到均壓的目的；L為交流輸出電感，主要作用是濾除高頻SPWM的高次諧波；電路中的三相變壓器一方面可以提高逆變電壓，另一方面可以起到與電網(wǎng)隔離的作用，增加了系統(tǒng)的可靠性。

圖1 三相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)電路圖Fig.1 The circuit of three phase photovoltaic grid－connected system

太陽能電池陣列將接收到的太陽能量直接轉(zhuǎn)換為直流電壓源，經(jīng)并聯(lián)電容，通過三相橋式逆變器輸出高頻SPWM波，經(jīng)過電感濾波后便得到與電網(wǎng)同頻率的正弦波，最后經(jīng)過變壓器升壓并入電網(wǎng)。對6個開關(guān)管進(jìn)行適當(dāng)?shù)腜WM控制，就可以將輸出電流調(diào)制為正弦波，并且與電網(wǎng)電壓保持同相位，達(dá)到輸出功率因數(shù)為1的目的。由于光伏陣列V－I和P－V特性的非線性，以及受太陽輻照度和環(huán)境溫度的變化，要使光伏陣列輸出最大功率，則必須對光伏電池進(jìn)行最大功率跟蹤，找出其最大功率點的工作電壓。

2 并網(wǎng)控制方法研究

由于電網(wǎng)呈現(xiàn)出電壓源的特性，因此饋入電網(wǎng)的能量應(yīng)以電流源的形式出現(xiàn)。通過交流側(cè)電感的濾波作用，將逆變橋的輸出轉(zhuǎn)換為適合于饋入電網(wǎng)的正弦波電流。橋路功率開關(guān)器件的通斷由SPWM 波控制［1］。

對于逆變器輸出端電路，取A相電網(wǎng)電流為狀態(tài)變量，有：

式中：Ua為A 相未經(jīng)濾波的逆變橋輸出電壓；Unet，Inet為并網(wǎng)電壓和電流；RL為濾波電感、變壓器和線路的等效電阻。

寫成復(fù)數(shù)域形式為

忽略功率開關(guān)及死區(qū)時間的非線性影響，SPWM控制方式下的橋式逆變環(huán)節(jié)可視為一個等效的線性比例環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

因為并網(wǎng)逆變器為有源逆變，其負(fù)載為電網(wǎng)，在公共節(jié)點處，電網(wǎng)電壓值可能會因為回路上其他交流負(fù)載的變化而發(fā)生突變，此時，并網(wǎng)電流波形就可能會畸變。為了抑制電網(wǎng)的瞬時擾動對并網(wǎng)電流的影響，可以采取電網(wǎng)電動勢前饋補(bǔ)償控制［2］。圖2為帶電網(wǎng)電動勢前饋補(bǔ)償?shù)目刂瓶驁D，對控制系統(tǒng)而言，Unet為電網(wǎng)電壓的擾動輸入。

圖2 帶前饋補(bǔ)償?shù)目刂瓶驁DFig.2 Control diagram with feed－forward compensation

不加前饋補(bǔ)償時，當(dāng)電網(wǎng)電壓突變（由Unet變?yōu)閁net＋ΔUnet）時，相應(yīng)的系統(tǒng)輸出并網(wǎng)電流Inet變化量為

當(dāng)電網(wǎng)電壓突變時，并網(wǎng)電流出現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)誤差ΔInet。

加入前饋補(bǔ)償后，電網(wǎng)電壓突變時系統(tǒng)輸出并網(wǎng)電流變化量為

因此，要完全消除電網(wǎng)電動勢的擾動影響，電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)Gn（s）應(yīng)為

3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)中PI參數(shù)設(shè)計

采用西門子最佳整定法［3］對內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，將內(nèi)環(huán)系統(tǒng)設(shè)計成一個典型Ⅰ型系統(tǒng)。典型Ⅰ型系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為

加入調(diào)節(jié)器后，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)W（s）可以用下式表示：

比較以上兩式，利用PI調(diào)節(jié)器將系統(tǒng)校正為典型I型系統(tǒng)，PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)應(yīng)為

此時加入PI調(diào)節(jié)器系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為

根據(jù)西門子最佳整定法得到的結(jié)論KT＝0.5，可以得到：

由此可以算得：

3.2 濾波電路中電感L的設(shè)計

并網(wǎng)系統(tǒng)中的電感是連接光伏發(fā)電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的重要部分，電感量的大小影響電流的變化速度。要使光伏發(fā)電系統(tǒng)流入電網(wǎng)的電流Inet能夠迅速地跟蹤給定電流信號則其變化率dInet／dt必須大于給定信號的變化

根據(jù)沖量定理，在單個載波周期的窄脈沖時間內(nèi)，Udc在時間Δt內(nèi)與電網(wǎng)電壓Unet在T內(nèi)的沖量相等。由此可以得到：

推得：

又因為

式中：Udc為直流母線電壓；Unet為電網(wǎng)電壓瞬態(tài)量；Δt為PWM脈寬瞬時值，是按正弦規(guī)律變化的非線性量。

將式（14）代入式（15），可以得到：

根據(jù)并網(wǎng)輸出的等效電路和逆變的條件有：

假設(shè)允許的最大紋波電流為并網(wǎng)電流有效值的10%，由式（16）和式（17）可以推導(dǎo)出：

式（18）規(guī)定了電感L的范圍，在開關(guān)頻率fk確定之后，電感L的取值范圍與Udc之間存在相互制約關(guān)系，Udc越高要求的電感L的值越大，但系統(tǒng)的響應(yīng)速度越慢，在實際應(yīng)用中需要進(jìn)行綜合考慮。

4 最大功率點跟蹤設(shè)計

最大功率跟蹤的方法有很多種，電導(dǎo)增量法就是其中一種。由于傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法步長固定，步長過小會使陣列較長時間滯留在低功率輸出區(qū)，造成一定的功率損失，步長過大又會使陣列在最大功率點處的震蕩加劇。本文采用自適應(yīng)變步長電導(dǎo)增量法［5］，解決了跟蹤速度和跟蹤精度之間的矛盾。

由光伏陣列的P－U曲線可知，在最大功率點處有dP／dU＝0，所以有

在最大功率PM點處有dP／dU＝0，而在PM兩端dP／dU 均不為0，因此我們可以令Step＝N×｜dP／dU｜作為算法中每步步長數(shù)據(jù)，實現(xiàn)變步長跟蹤，并通過設(shè)置適合的N，提高系統(tǒng)的控制精度。

圖3所示為自適應(yīng)變步長電導(dǎo)增量法控制流程。

圖3 自適應(yīng)變步長電導(dǎo)增量法控制流程Fig.3 The control flow of auto－change step incremental conductance algorithm

5 仿真結(jié)果分析

為了驗證以上控制策略，進(jìn)行了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的實驗研究，采用如圖1所示的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用Matlab建立并網(wǎng)逆變仿真模型。得到的A相電壓和電流的仿真波形如圖4所示。

圖4 三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)電壓和電流波形Fig.4 The grid－connected current and voltage waveforms of three phase photovoltaic gridconnected system

由圖4波形可以看出，由于PI調(diào)節(jié)器的調(diào)整和前饋補(bǔ)償控制，調(diào)整并網(wǎng)電流的頻率和相位，使其與電網(wǎng)電壓同頻同相，功率因數(shù)為1，輸出比較平滑的正弦波，符合并網(wǎng)要求。對光伏MPPT系統(tǒng)進(jìn)行仿真，實驗溫度從25°突變到15°，光強(qiáng)從1 000突變到800的情況下，光伏電池的輸出電壓、電流及功率波形見圖5。

圖5 溫度、光強(qiáng)突變時閉環(huán)系統(tǒng)跟蹤的波形Fig.5 The track waveforms of closed loop system when temperature and light change suddenly

由圖5可以看出，系統(tǒng)能在一定的時間內(nèi)跟蹤到“最大”功率點，并且能穩(wěn)定工作在“最大”功率點。功率跟蹤的時間約為30ms，電壓電流跟蹤到穩(wěn)定的時間約為60ms。閉環(huán)系統(tǒng)能跟蹤到并且能穩(wěn)定地工作在光伏電池的最大功率點，證明此方法能在環(huán)境突變的情況下快速地跟蹤到相應(yīng)的最大功率點。從而實現(xiàn)了隨動系統(tǒng)的穩(wěn)、準(zhǔn)、快的性能要求。

6 結(jié)論

1）對光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，介紹了電路結(jié)構(gòu)和工作原理，提出了前饋補(bǔ)償控制方法，介紹了PI調(diào)節(jié)器和濾波電感的參數(shù)設(shè)計方法，提出了MPPT的自適應(yīng)變步長電導(dǎo)增量法。

2）進(jìn)行了相應(yīng)系統(tǒng)的實驗仿真，得到了平滑的正弦并網(wǎng)電流波形，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)，證明了控制策略的有效性，對MPPT的自適應(yīng)變步長電導(dǎo)增量法進(jìn)行了驗證，論證了光伏最大功率跟蹤系統(tǒng)的正確性、可行性。

［1］李彥，張慶范，劉暢，等.家用數(shù)字光伏并網(wǎng)逆變電源的研究與設(shè)計［J］.電力電子技術(shù)，2009，43（6）：53－55.

［2］鄭詩程，夏偉.三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略研究［J］.電氣技術(shù)，2007（3）：43－46.

［3］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［4］閆士職.基于太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2005.

［5］Liu Fangrui，Duan Shanxu，Liu Fei，et al.A Variable Step Size INC MPPT Method for PV Systems［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55（7）：2622－2628.