王昉，馬愛平，劉陵順，張樹團

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光伏逆變器控制策略的仿真研究

王昉1，馬愛平2，劉陵順1，張樹團1

(1. 海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺 264001；2. 海軍航空工程學(xué)院學(xué)員35隊，山東煙臺 264001)

本文介紹了光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，建立了前級DC/DC變換電路與后級基于電流滯環(huán)跟蹤控制的電壓型逆變電路仿真模型，并對系統(tǒng)進行了仿真分析。通過仿真驗證了該光伏逆變器控制策略的可行性。

光伏逆變器 DC/DC 電流滯環(huán)跟蹤

0 引言

當(dāng)前，人類對太陽能的利用有三個領(lǐng)域，即光電轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換和光化轉(zhuǎn)換。其中我們應(yīng)用最多也最為廣泛的還是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的光電轉(zhuǎn)換方式。太陽能光伏發(fā)電是目前人類利用太陽能效率最高、技術(shù)最成熟、普及最廣的方式。因此，大力發(fā)展完善光伏發(fā)電技術(shù)，利用清潔高效的太陽能才是解決當(dāng)今世界能源危機的最根本途徑[1]。

1 光伏逆變器的電路拓撲及控制

通常按照有無隔離變壓器將光伏逆變器分為隔離型和非隔離型。在隔離型系統(tǒng)中，變壓器將電能轉(zhuǎn)化為磁能，在將磁能轉(zhuǎn)化為電能，在這一轉(zhuǎn)化過程中將導(dǎo)致一定的能量損耗，一般數(shù)千瓦的小容量變壓器導(dǎo)致的能量損失可達5%甚至更高，這使得系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率過低。而在非隔離型系統(tǒng)中，由于省去了笨重的工頻變壓器或復(fù)雜的高頻變壓器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量變輕，且具備低能耗，高效率，低成本等諸多優(yōu)點[2]。

在傳統(tǒng)的單級非隔離光伏逆變器系統(tǒng)中，光伏陣列輸出的電壓必須在任何時刻都高于電網(wǎng)電壓峰值，所以需要光伏電池板串聯(lián)，提高電壓等級。但是多個串聯(lián)電池板可能由于云層遮擋等因素導(dǎo)致輸出能量的嚴重損失，光伏組件電壓跌落，無法保證輸出電壓時刻高于電網(wǎng)電壓峰值，進而導(dǎo)致整個光伏系統(tǒng)無法正常工作。而且這使得光伏組件乃至整個系統(tǒng)都必須具有較高的絕緣等級，因而只有一級的能量變換往往難以實現(xiàn)最大功率跟蹤和并網(wǎng)逆變這兩個功能。

而多級非隔離型光伏逆變器系統(tǒng)中，功率變換部分一般由DC/DC和DC/AC多級變換器級聯(lián)組成，增加的前級DC/DC變換電路起到了調(diào)節(jié)光伏電池組輸出電壓的作用，可以較好地解決傳統(tǒng)非隔離系統(tǒng)存在的問題[3]。該結(jié)構(gòu)已成為今后主要的光伏逆變器結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 前級DC/DC變換電路

前級DC/DC變換器，可選擇的形式有降壓式變換電路(Buck converter)，升壓式變換電路(Boost Converter)，升降壓式變換電路（Boost．Buck Converter），庫克式變換電路（Cuk Converter）等[4]。其中升壓變換器有較好的工作特性，它可以始終工作在輸入電流連續(xù)的狀態(tài)下，只要輸入電感足夠大，電感上的紋波電流小到接近平滑的直流電流，因此只需加入通量較小的無感電容甚至不加電容，避免了加電容帶來的弊端。升壓電路簡單，功率開關(guān)器件的驅(qū)動設(shè)計方便，因此，選用Boost升壓電路，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

升壓電路的工作原理如下：

U為升壓后電壓，D為占空比，U為光伏序列輸出電壓，可令開關(guān)器件的工作周期為，則其導(dǎo)通時間即為，關(guān)斷時間持續(xù)(1-)。所以又有：

1.2 后級逆變器主電路

逆變器主電路最常用的結(jié)構(gòu)有半橋和全橋兩種。全橋電路由于橋臂輸出電壓存在零電壓續(xù)流狀態(tài)，可實現(xiàn)倍頻，在較低的開關(guān)頻率下可以獲得更好的諧波控制。本文采用單相全橋逆變電路[4]。圖3所示是單相全橋逆變器主電路結(jié)構(gòu)圖。

該電路共有四個開關(guān)器件，采用 180°導(dǎo)電方式，其輸出為幅值相同極性相反的矩形波。圖中，開關(guān)器件均有一個反并聯(lián)二極管，用于開關(guān)器件關(guān)斷時繼續(xù)保持電流通過。

1.3 電流滯環(huán)跟蹤控制方式

電流滯環(huán)跟蹤控制方式采用電流反饋控制，將輸出電流與給定的標(biāo)準(zhǔn)電流波形進行對比，通過滯環(huán)環(huán)節(jié)對開關(guān)器件的通斷進行控制，完成輸出電流信號對給定電流信號的跟蹤。實際應(yīng)用中一般采取電壓電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)采用電壓反饋控制環(huán)，內(nèi)環(huán)采用電流反饋控制環(huán)[5]，如圖4所示。

首先電壓PI調(diào)節(jié)器所產(chǎn)生的電流乘以表示電網(wǎng)電壓的單位正線信號參數(shù)后，即可得到給定電流的電流信號*，以此電流信號作為基準(zhǔn)，對輸出電流進行采樣，得到實際反饋電流I，再將兩者進行比較。設(shè)定固定的滯環(huán)環(huán)寬2h，滯環(huán)控制的中心思想即為將電流波動控制在滯環(huán)環(huán)寬內(nèi)。將實際電流反饋于給定電流進行比較：I-i>h或I-*<-h時則滯環(huán)比較器會產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)器件控制信號來控制開關(guān)器件的通斷，使輸出電流相應(yīng)增大或者減小，再次回到滯環(huán)環(huán)寬范圍內(nèi)。通過這種控制方式，則輸出電流在滯環(huán)反饋的控制下，始終保持在滯環(huán)范圍內(nèi)波動，實現(xiàn)滯環(huán)電流跟蹤控制。

這種控制方式的核心在于滯環(huán)寬度的控制，具有控制的方法較簡單，電流能夠較快的響應(yīng)等優(yōu)點。同時，由于其控制性能完全依賴于滯環(huán)，當(dāng)環(huán)寬設(shè)定較大時，兩次調(diào)節(jié)電流的時間較長，開關(guān)器件開通關(guān)斷的間隔較長，器件要求不高，但由于環(huán)寬較大，輸出電流的高次諧波分量大，其輸出的誤差相應(yīng)較大。相反，環(huán)寬設(shè)定較窄時，兩次電流調(diào)節(jié)時間短，雖然可以獲得較小的誤差，但是器件開關(guān)頻率較高。

2 仿真分析

2.1 前級Boost電路仿真

取輸入電壓為24 V，升壓目標(biāo)為220 V，脈沖占空比為0.89，脈沖周期為= 0.2 ms，= 5000 Hz，初選參數(shù)為0.1 mH，的參數(shù)為1 μF，仿真輸出波形如圖5所示。

所得仿真結(jié)果為：輸出電壓在0.1416 s之后穩(wěn)定在220 V，滿足升壓要求。仿真中同時發(fā)現(xiàn)單獨對等參數(shù)進行調(diào)整的時，升壓環(huán)節(jié)仿真波形也隨之產(chǎn)生變化。

1) L取較大值時，升壓波形響應(yīng)速度較慢，但超調(diào)越小，取較小值時，升壓波形響應(yīng)速度較快，但超調(diào)則越大。

2)取較大值，可抑制紋波，超調(diào)較大且波形穩(wěn)定需要的時間較長；反之，取較小值，紋波較大，超調(diào)較小甚至無超調(diào)，曲線比較平滑，且調(diào)整時間較小。

2.2 后級DC/AC逆變環(huán)節(jié)仿真分析

采用電壓電流雙閉環(huán)控制方式，設(shè)定環(huán)寬參數(shù)=0.2，電感= 2 mh，電阻=0.5Ω，則得輸出波形仿真如圖6所示：

從圖6中可以看出電流輸出波形穩(wěn)定性好，其值更加逼近電流給定值，輸出電流I對給定電流I的跟蹤效果好。從FFT分析結(jié)果可以看出，輸出電流中諧波含量少，波形質(zhì)量高。

2.3 逆變系統(tǒng)整體仿真

對逆變系統(tǒng)整體進行仿真，控制策略選用較為簡單的電流單閉環(huán)控制的方法。

其仿真電路如圖7所示。

初始參數(shù)設(shè)定為：前級升壓環(huán)節(jié)：電源電壓為=24 V，升壓目標(biāo)為220 V，則脈沖占空比為=0.8909，脈沖發(fā)生器參數(shù)設(shè)定為0 320.7。脈沖周期為s = 0.2 ms，= 5000 Hz，初選升壓環(huán)節(jié)參數(shù)為0.1 mH，濾波電容的參數(shù)為0.01 F，電容初始電壓為0 V。后級逆變環(huán)節(jié)：電感=2 mh，負載電阻=0.5Ω，為取得較好電流滯環(huán)控制效果，滯環(huán)環(huán)寬參數(shù)設(shè)定為=0.2，其仿真波形如圖8所示。

由圖8可見，電流輸出波形I初始時與給定流電I相差較多，4.95 ms之后，輸出電流I跟蹤到給定電流I，并開始跟隨給定電流，其波形波動也滯環(huán)環(huán)寬范圍內(nèi)變換，基本實現(xiàn)電流滯環(huán)跟蹤控制。

3 結(jié)論

本文主要研究了非隔離型光伏逆變系統(tǒng)。建立了光伏逆變器的仿真模型。研究了前級DC/DC變換電路的基本工作以及后級DC/AC逆變環(huán)節(jié)的雙閉環(huán)控制策略。分別進行了兩級電路及逆變系統(tǒng)整體電路的仿真分析，獲得了仿真實驗波形。通過輸出波形可以看出，雙閉環(huán)控制策略是一種具有良好實用性的控制手段，具有動靜態(tài)特性好，輸出波諧波含量少，正弦特性好的優(yōu)點。通過對逆變系統(tǒng)整體的仿真分析，驗證了非隔離型光伏逆變系統(tǒng)的可行性。

[1] 張曉霞，侯競偉，殷攀攀等．太陽能發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2007，20(5)：16-18．

[2] 宋濤松．單相光伏發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)控制策略的研究[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2011，8-12．

[3] 張興，曹仁賢等．太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M]．機械工業(yè)出版社，2010：223-230．

[4] 周雪松，宋代春，馬幼捷等．光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略[J]．華東電力，2010,38（1）：80-83.

[5] 李俊林，熊健，康勇．基于雙環(huán)控制和重復(fù)控制的逆變器研究[J]．電源技術(shù)應(yīng)用，2004，7（4）：223-227．

Simulation of Control Strategy for Photovoltaic Inverter

Wang Fang1, Ma Aiping2, Liu Lingshun1, Zhang Shutuan1

(1. Shandong Aviation Engineering Institute, Yantai 264001, Shandong, China; 2. The 35th Team of Shandong Aviation Engineering Institute, Yantai 264001, Shandong, China)

TN722

A

1003-4862（2014）11-0007-03

2014-05-16

王昉（1982-），女，講師，工學(xué)碩士。研究方向:電力電子與電力傳動。