劉建，冉玘泉

(西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031)

1 引言

隨著工業(yè)進程的加快，能源消耗越來越大，常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力的增大，促使人類去開發(fā)和利用新能源，太陽能具有很多常規(guī)能源所不具有的優(yōu)點，被認為是21世紀最重要的新能源，因而光伏發(fā)電被認是綜合緩解能源問題和環(huán)境問題的一種重要技術途徑［1－2］。逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心，為了實現(xiàn)高效利用太陽能，對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的控制方法進行研究具有實用價值。逆變器并網(wǎng)發(fā)電的主要控制問題是使逆變器輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦波電流，并能跟隨并網(wǎng)容量給定值，而且要求電流畸變滿足相關要求，控制諧波對電網(wǎng)的不利影響。目前研究比較成熟的控制方法有滯環(huán)控制技術、三角波控制技術，無差拍控制技術等。滯環(huán)控制方法硬件電路十分簡單，屬于實時控制方式，電流響應很快，不需要載波，輸出電壓中不含有特定頻率的諧波分量［3］。三角波控制方式輸出含有與載波頻率相同的高次諧波，且電流響應比瞬時值比較方式慢［4－5］。無差拍控制［6］可以在有限拍的時間內跟蹤到給定的狀態(tài)變量，具有非?？焖俚膭討B(tài)響應能力。雙閉環(huán)控制通過雙環(huán)實現(xiàn)了雙極點配置，系統(tǒng)中兩個狀態(tài)變量都是閉環(huán)狀態(tài)，這很大程度上增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性［7］。

2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由以下幾部分組成:光伏陣列、電子電力設備和并網(wǎng)裝置，此外還有一些輔助設備［8］。光伏方陣由太陽能電池組件按照用戶設計需求經(jīng)串并聯(lián)組成，其將光能轉換為電能，它是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。由于光伏電池的輸出電壓，輸出電流較低，因此在實際中，需要通過對多個小單位的光伏電池的串、并聯(lián)交替組合，同時將光伏陣列模型接入升壓電路中，以便得到期望的直流電壓或者是電流。逆變器是將直流電變換為交流電的電力變化裝置。控制器是整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心控制部分。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在逆變之后將能量傳送給公用電網(wǎng)。由于逆變器與電網(wǎng)并聯(lián)，所以必須保持兩組電源電壓、相位、頻率等電氣特性的一致性，否則會造成兩組電源相互間的充、放電，引起整個電源系統(tǒng)的內耗和不穩(wěn)定。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的結構如下:

圖1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結構圖

基于Boost變換器的10KW的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的電路拓撲如下所示:

圖2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓撲圖

3 電流內環(huán)電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制

全橋PWM并網(wǎng)逆變器是具有電流控制特性的電壓型逆變器。通過對交流并網(wǎng)側電感電流的控制來實現(xiàn)高品質的并網(wǎng)電流和單位功率因數(shù)控制，內環(huán)采用固定開關頻率直接電流控制，并用典型Ⅰ型系統(tǒng)進行設計。同時，為了使電壓型逆變器穩(wěn)定運行，必須對直流電壓進行閉環(huán)控制來穩(wěn)定直流電壓。

3.1 電流內環(huán)的控制設計

電流內環(huán)的控制框圖［9］如圖3所示。

圖3 電流內環(huán)控制框圖

框圖中電網(wǎng)電壓在電流控制結構中屬于擾動量，會影響系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤性能，因此在內環(huán)系統(tǒng)中加入電網(wǎng)電壓前饋控制以增強系統(tǒng)的抗擾性。由逆變器PWM增益特性，為了抵消電網(wǎng)電壓，要滿足

式中Kf為前饋系數(shù)，Tpwm為逆變器調制開關周期，Kpwm為逆變器增益。

如果忽略PWM逆變器對象的時間常數(shù)，則可得到前饋系數(shù)為:

考慮前饋，則電流內環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:

為了保證電流環(huán)有很好的跟隨性，按照典型Ⅰ型系統(tǒng)設計，其調節(jié)器為比例調節(jié)器Kip，加入比例調節(jié)器后電流內環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為:

根據(jù)典型Ⅰ型系統(tǒng)的設計，系統(tǒng)阻尼為

內環(huán)通過典型Ⅰ系統(tǒng)的設計，在穩(wěn)定的基礎上具有快速的跟隨性。

3.2 直流電壓外環(huán)的控制設計

直流母線電壓太低，不能滿足電壓型逆變器的交、直流變比關系，太高會損壞電容和開關管，因此要對電壓外環(huán)進行控制，使直流側電壓穩(wěn)定。

在功率因數(shù)為1的條件下，不考慮能量損耗，根據(jù)能量關系得

式中Uo、Io為逆變輸出電壓和電流的有效值，Udc、Idc為直流側的電壓和電路。

根據(jù)上式可得到

K1為交流側電流與直流側電流的比例系數(shù)。根據(jù)電流環(huán)的控制框圖，可以得到電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)

由于逆變系統(tǒng)中開關頻率一般很大，Tpwm很小，上式中分母的第一項遠遠小于第二項，忽略S2項，簡化得到電流內環(huán)的傳遞函數(shù)為

可得到電壓外環(huán)的控制系統(tǒng)的框圖如所示。

圖4 電壓外環(huán)控制框圖

在穩(wěn)態(tài)時，將光伏電池板看作是恒流源，有主電路拓撲的直流電容電流為

其中Id1在控制結構中相當于擾動量，在穩(wěn)態(tài)條件下不影響調節(jié)器參數(shù)的選擇，設電壓外環(huán)中調節(jié)器的傳遞函數(shù)［11］為

式中Kdp為電壓調節(jié)器的比例系數(shù)，τd為電壓調節(jié)器的時間常數(shù)。根據(jù)電壓外環(huán)系統(tǒng)的方框圖，將電流內環(huán)等效為其閉環(huán)傳遞函數(shù)，可以得到電壓外環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

上式中C為直流側電容

根據(jù)典型Ⅱ型系統(tǒng)的設計原則，假設Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

那么就有

將H(s)與W(s)作比較，可得到

根據(jù)以上的算式可推導出電壓調節(jié)器的參數(shù)為

把典型Ⅱ型系統(tǒng)跟隨和抗擾等各項性能指標綜合起來看，取h=5是一個合適的選擇［12］。

4 基于Matlab/Simulink/仿真

4.1 電流內環(huán)的仿真

圖5 電流內環(huán)仿真圖

仿真波形如圖6所示。

由仿真結果可見電流內環(huán)能夠按照給定的參考值輸出相應的波形，有較好的跟隨性。

4.2 電壓外環(huán)仿真結果

光伏陣列的輸出電流隨著光照強度的變化而變化，在仿真中用有波動的電流源代替光伏陣列部分，其仿真圖如圖7所示。

圖6 并網(wǎng)電壓與輸入電網(wǎng)電流波形

圖7 光伏并網(wǎng)逆變仿真結構圖

仿真中電容初始值設定為500，為實現(xiàn)10kW功率并網(wǎng)，要求光伏輸出的平均值為20A，因為在某一個時間段內，環(huán)境緩慢變化，所以光伏陣列的輸出電流變化慢，幅度變化小，為模擬光照強度對光伏輸出電流的影響，可控電流源的輸入設定為一個正弦信號，一個基值為19，振幅為1.414，頻率為1的正弦信號。電容可根據(jù)紋波電壓以及并網(wǎng)功率確定。

電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流、比例積分環(huán)節(jié)、直流側電壓、光伏電流的輸出波形如下:

定性分析如圖8所示。

當實際電壓大于參考電壓時，誤差信號為正，通過比例積分環(huán)節(jié)后，得到的值大，此時的參考電流幅值大，得到的并網(wǎng)電流大，根據(jù)能量守恒的原則，此時直流側逆變電流也大，那么流過直流側電容的電流相應減小，從而實際電壓降低。

同理，當實際電壓小于參考電壓時，誤差輸出信號為負，通過比例積分環(huán)節(jié)后得到的值減小，即電流的參考值減小，得到的并網(wǎng)電流小，流過直流側電容的電流增大，從而實際電壓增大。

綜上，電壓外環(huán)能夠使直流側的電壓穩(wěn)定在參考值。

仿真結果表明，雙閉環(huán)的控制方法能夠實現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，電流內環(huán)中電流有較好的跟隨性，且直流側電壓可以很好的穩(wěn)定在500V。

圖8 仿真輸出結果圖

5 結語

本文只是對兩級式的單相光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略作了理論研究和基本仿真的驗證，如果將光伏并網(wǎng)逆變器應用到實際中，還需要對光伏陣列、光伏并網(wǎng)逆變器做更加深入的研究和探索，進一步對光伏并網(wǎng)逆變器進行完善和提高。逆變器控制方法的研究，對于風能、太陽能等新能源的普及意義重大，它可促進環(huán)境改善、緩解能源危機，產(chǎn)生巨大的社會價值。

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