艾淑云，翟登輝，李獻(xiàn)偉，王 毅

(1.中國電力科學(xué)研究院，北京100192;2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌461000)

0 引言

在能源緊缺、環(huán)境惡化的今天，太陽能以其無污染、可再生、取之不盡等獨(dú)有的優(yōu)勢成為研究的焦點(diǎn)。光伏發(fā)電必將從補(bǔ)充能源向替代能源過渡。近年來，隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)以及新能源應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逐漸成為光伏發(fā)電技術(shù)的研究熱點(diǎn)，其應(yīng)用范圍越來越大，是光伏發(fā)電的主流發(fā)展趨勢。而光伏并網(wǎng)逆變器作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其主要功能就是將太陽能電池板發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電，從而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的并網(wǎng)運(yùn)行，因此并網(wǎng)逆變器效率的高低、性能的優(yōu)劣以及環(huán)境適應(yīng)性等指標(biāo)將直接影響整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能和投資。

本文以單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入分析，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了基于無差拍算法的電壓電流雙閉環(huán)控制策略以及MPPT算法的可行性和有效性，最后在3 kW單相光伏并網(wǎng)逆變器的樣機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，無差拍控制算法的逆變器不僅逆變電流THD較低、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，而且實(shí)現(xiàn)了逆變電流的單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行。

1 單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖1所示，該光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是工頻隔離型單級式單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，電容C1起到穩(wěn)定直流電壓的作用，逆變橋輸出電流經(jīng)LC濾波后通過隔離變壓器升壓并入電網(wǎng)。UAB為逆變橋的輸出電壓，L為濾波電感，Unet為電網(wǎng)電壓，i為并網(wǎng)電流，它們之間滿足以下關(guān)系:

2 關(guān)鍵技術(shù)

圖2為單相并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)控制采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制［1，2］策略，其中外環(huán)為直流電壓環(huán)，采用PI控制器，用于穩(wěn)定直流側(cè)電壓;內(nèi)環(huán)為并網(wǎng)電流環(huán)，用于實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，控制器采用無差拍控制，能夠?qū)崿F(xiàn)無差跟蹤，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

圖1 單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成

圖2 基于無差拍控制的雙閉環(huán)控制原理圖

下面對并網(wǎng)逆變器中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

2.1 MPPT 算法

最大功率點(diǎn)跟蹤(簡稱MPPT)是指系統(tǒng)在任何溫度和日照條件下都能跟蹤光伏電池輸出的最大功率。目前常用的算法有電導(dǎo)增量法、CVT法、擾動(dòng)觀測法以及模糊控制法［3］等。

本文對傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法進(jìn)行改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)MPPT，具體方法是:逆變器初始工作時(shí)，光伏陣列的電壓為開路電壓Uoc，此時(shí)在P-V曲線的右側(cè)，因此，初始跟蹤時(shí)，不用進(jìn)行擾動(dòng)方向判斷，而直接進(jìn)行－step的擾動(dòng)，為使跟蹤速度快，此時(shí)步長step較大;當(dāng)電壓達(dá)到0.85Upv時(shí)，再轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法進(jìn)行擾動(dòng)，為了保證跟蹤精度好和最大功率點(diǎn)波動(dòng)較小，此時(shí)步長step應(yīng)取小。該算法避免了傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀測法因初始擾動(dòng)方向判斷錯(cuò)誤而導(dǎo)致的不跟蹤現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.2 無差拍控制原理

由圖1可知，逆變器工作時(shí)的差分方程［4］為:

無差拍算法的原理是在開關(guān)周期的開始時(shí)刻，采集并網(wǎng)電流i(k)，利用開關(guān)周期Ts內(nèi)的電網(wǎng)電壓平均值(k)以及已知的k+1時(shí)刻參考電流iref(k+1)來計(jì)算橋側(cè)輸出電壓(k)，計(jì)算出占空比D(k)大小，從而確定開關(guān)器件的通斷時(shí)刻。

3 仿真模型

根據(jù)圖2建立基于無差拍控制算法的雙閉環(huán)控制的Matlab仿真模型，如圖3所示。

圖3 基于無差拍算法的雙閉環(huán)控制仿真模型

無差拍控制算法由S-Function編寫，該模塊輸入分別為并網(wǎng)電流i(k)、三角載波、k+1時(shí)刻的電流參考值iref(k+1)、電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值Unet;輸出為PWM脈沖信號。

4 仿真結(jié)果

4.1 光照不變

圖4為光照不變時(shí)的測試結(jié)果，表明電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器使Upv能實(shí)時(shí)跟蹤參考電壓U*pv，實(shí)現(xiàn)了直流電壓的穩(wěn)定控制，波動(dòng)幅值較小。此時(shí)的電網(wǎng)電壓與逆變電流波形如圖5，并網(wǎng)電流與參考電流波形如圖6。

圖4 光照不變時(shí)參考電壓U*pv與直流側(cè)電壓Upv

圖5 電網(wǎng)電壓和逆變電流

圖6 并網(wǎng)電流與參考電流

4.2 光照變化

圖7為光照變化時(shí)的測試結(jié)果，仿真時(shí)間為［0 0.2 0.4］，光照強(qiáng)度依次設(shè)置為1 000 Lux、800 Lux和600 Lux，圖7表明直流側(cè)電壓也跟著光照變化而變化，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快。

圖7 光照變化時(shí)參考電壓與直流側(cè)電壓Upv

5 樣機(jī)試驗(yàn)

研制了額定功率3 kW的光伏并網(wǎng)逆變器樣機(jī)，主控制器采用TI公司的TMS320F28335芯片，該芯片主頻150 MHz，支持浮點(diǎn)運(yùn)算，用于產(chǎn)生PWM脈沖、AD采樣及各種軟件保護(hù)等，濾波電感L=1.2 mH，濾波電容C=2 μF。實(shí)際電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形如圖8所示。

圖8 實(shí)際電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流

6 結(jié)論

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的Matlab仿真結(jié)果和3 kW并網(wǎng)逆變器樣機(jī)的試驗(yàn)表明，基于無差拍算法的雙閉環(huán)控制策略是可行的，在保證系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了逆變電流的無靜差跟蹤參考電流以及較低的電流總諧波畸變率;另外，基于改進(jìn)擾動(dòng)觀測法的MPPT跟蹤效果好，速度快，避免了傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法因初始擾動(dòng)方向判斷錯(cuò)誤而導(dǎo)致不跟蹤現(xiàn)象的發(fā)生。

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