任碧瑩，郝金莉，孫向東，張琦，安少亮

（西安理工大學自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048）

一種新穎的兩級式光伏并網(wǎng)控制方法

任碧瑩，郝金莉，孫向東，張琦，安少亮

（西安理工大學自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048）

光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)通常采用兩級式Boost+逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)，為提高系統(tǒng)運行效率，提出了一種新型控制方法。實時判斷光伏輸出電壓與電網(wǎng)瞬時電壓絕對值大小的關(guān)系，當光伏輸出電壓高于電網(wǎng)瞬時電壓絕對值時，Boost變換器停止工作；而當光伏輸出電壓低于電網(wǎng)瞬時電壓絕對值時，Boost變換器執(zhí)行直流母線穩(wěn)壓功能，后級逆變器控制實現(xiàn)最大功率點跟蹤（MPPT）及單位功率因數(shù)逆變并網(wǎng)要求。通過仿真和實驗驗證了這種方法具有前級開關(guān)管動作次數(shù)少，能夠有效地提高系統(tǒng)效率并同時確保系統(tǒng)并網(wǎng)電能質(zhì)量等優(yōu)點。

光伏并網(wǎng)；Boost變換器；間斷工作；開關(guān)損耗；并網(wǎng)控制

隨著世界能源危機的急劇惡化，太陽能發(fā)電技術(shù)越來越受到人們的青睞和關(guān)注［1］。光伏發(fā)電一體化建筑和家用屋頂發(fā)電等小功率發(fā)電系統(tǒng)是太陽能發(fā)電項目的一個重要分支［2］?？紤]光伏電池板成本的原因，在相同輸出功率的前提下，并網(wǎng)變換器效率的提高意味著可以少安裝一些光伏電池板，從而降低整個光伏發(fā)電系統(tǒng)成本。非隔離并網(wǎng)發(fā)電逆變電路效率較高，且由于光伏陣列輸出電壓相對低，因此多采用Boost升壓變換器與單相逆變器組成非隔離兩級式單相光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變電路［3-5］。傳統(tǒng)兩級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)通過控制前級實現(xiàn)MPPT，控制后級實現(xiàn)了直流母線穩(wěn)壓和單位功率因數(shù)并網(wǎng)［6］。文獻［7］提出了一種新型光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，其由羅氏升壓電路、三相4開關(guān)逆變單元組成，可以有效提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率。文獻［8］前級采用交錯反激式變換器，提出一種根據(jù)光伏輸出功率，控制有源鉗位電路和反激變換器的新方法，提高了光伏模塊允許的全模塊范圍的功率轉(zhuǎn)換效率。文獻［9］提出了一種新穎的控制方法，通過前級控制得到每半個周期按正弦規(guī)律變化的饅頭波，再通過后級控制得到標準正弦波，這種控制方法后級控制簡單，降低了后級開關(guān)頻率，提高了后級變換器的效率，但是前級電路及控制方法復雜且開關(guān)損耗較高。

對于兩級式光伏并網(wǎng)電路而言，前級Boost升壓變換器的功率開關(guān)一直工作，以便保證前級的輸出電壓穩(wěn)定在高于電網(wǎng)峰值電壓的某一直流電壓值，來確保光伏陣列產(chǎn)生的電能順利注入電網(wǎng)。由于此時前級的功率開關(guān)管一直工作，因此整個系統(tǒng)的效率受到影響。為克服這一缺點，本文提出了一種前級Boost變換器間斷工作的控制方法，當光伏輸出電壓高于電網(wǎng)瞬時電壓絕對值時，前級Boost變換器停止工作，而當光伏輸出電壓低于電網(wǎng)瞬時電壓絕對值時，Boost變換器正常工作，實現(xiàn)直流母線穩(wěn)壓功能。這種方法減少了前級電路開關(guān)管的動作次數(shù)，降低了開關(guān)損耗，提高了系統(tǒng)效率。

1　兩級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓撲

本文采用的兩級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主電路框圖如圖1所示，前級為Boost變換器，后級為單相全橋逆變電器，并采用電感濾波。

圖1　系統(tǒng)主電路框圖Fig.1　Main circuit diagram of system

2　系統(tǒng)控制策略

本文提出一種新穎的兩級式單相光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變控制方法，用以提高系統(tǒng)的效率。實時判斷光伏輸出電壓與電網(wǎng)瞬時電壓絕對值的大小關(guān)系，當光伏陣列輸出電壓高于電網(wǎng)瞬時電壓的絕對值時，前級Boost升壓變換器不工作，而當光伏陣列輸出電壓不高于電網(wǎng)瞬時電壓的絕對值時，Boost變換器正常工作并進行穩(wěn)壓控制。對于后級單相逆變器，一直進行光伏最大功率點跟蹤控制和電流并網(wǎng)控制，實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)控制功能。

圖2是本文提出的兩級式單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)改進控制方法對應的原理說明波形圖。

圖2　改進控制方法的原理說明波形Fig.2　Rationale waveforms of improved control method

由圖2可知，在0—t1，t2—t3，t4—t5，t6—t7，t8—t9區(qū)間內(nèi)，光伏陣列輸出電壓值VPV高于電網(wǎng)瞬時電壓的絕對值|Vgrid|，因此這些區(qū)間都是Boost停止工作區(qū)間，令Flag=0；而在t1—t2，t3—t4，t5—t6，t7—t8區(qū)間內(nèi)光伏陣列輸出電壓值VPV不高于電網(wǎng)瞬時電壓的絕對值|Vgrid|，因此這些區(qū)間都是Boost正常工作區(qū)間，令Flag=1。由于電網(wǎng)電壓按工頻周期周而復始變化，因此電網(wǎng)電壓經(jīng)過取絕對值后，每半個工頻周期內(nèi)總存在2個Boost停止工作區(qū)間和1個Boost正常工作區(qū)間。而在Boost停止工作區(qū)間，Boost開關(guān)損耗和通態(tài)損耗降為0，相對于常規(guī)控制方式下Boost開關(guān)損耗明顯降低。1個工頻周期內(nèi)，有4 個arcsin（VPV/311）角度區(qū)間Boost停止工作。當VPV值越接近電網(wǎng)電壓峰值311 V，則Boost停止工作區(qū)間越長，系統(tǒng)效率也就越高。

同時根據(jù)本文提出的方法，當VPV值超過電網(wǎng)電壓峰值時，前級停止工作，系統(tǒng)一直運行在單級式光伏并網(wǎng)運行方式下。因此本文提出的方法在提高系統(tǒng)運行效率的同時也可使得光伏陣列輸出電壓具有寬輸入電壓范圍特點。

2.1前級Boost控制策略

根據(jù)Boost變換器的工作情況，控制框圖如圖3所示，可將前級控制部分分為2種工作模式：Boost正常工作模式和Boost停止工作模式。

圖3　前級電路控制框圖Fig.3　Control Block diagram of former stage circuit

1）Boost正常工作模式。當VPV＜|Vgrid|時，Boost變換器工作于這種工作模式。此時，令變量Flag為1，將直流母線給定值與實際采樣值相減后，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到的調(diào)制波與三角載波比較，得到PWM信號。PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路后控制Boost變換器，實現(xiàn)穩(wěn)壓功能。

這種情況下系統(tǒng)可以看作一個普通的兩級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。

2）Boost停止工作模式。當VPV＞|Vgrid|時，即Boost變換器不工作，此時令變量Flag為0，使得逆變器開關(guān)管一直處于關(guān)斷狀態(tài)。

此時系統(tǒng)可以看作單級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4　Boost變換器停止工作模式下等效電路Fig.4　Equivalent circuit in Boost converter non-operation working mode

2.2后級控制策略

根據(jù)控制要求，后級逆變電路要同時實現(xiàn)MPPT與單位功率因數(shù)并網(wǎng)的要求，此時控制等同于單級式并網(wǎng)控制?？紤]到光伏發(fā)電系統(tǒng)功率跟蹤運行的快速性和易實現(xiàn)性，本文MPPT控制采用定占空比和擾動觀察法相結(jié)合的控制方法。后級控制框圖如圖5所示。采樣光伏陣列輸出電流IPV和光伏陣列輸出電壓VPV，根據(jù)最大功率點跟蹤算法得到光伏陣列輸出電壓參考值Vref，與VPV相減后，其誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器，該電壓外環(huán)得到單相逆變電路輸出電流幅值參考Iref。電網(wǎng)電壓Vgrid經(jīng)過數(shù)字鎖相環(huán)得到同步旋轉(zhuǎn)角θ，該同步旋轉(zhuǎn)角進行正弦計算并與Iref相乘，得到輸出電流參考值iref，與實際的單相逆變電路輸出電流iac之差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器，電流內(nèi)環(huán)得到逆變電路開關(guān)的脈沖寬度調(diào)制輸出信號，從而產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓相位一致的電流信號。

圖5　后級電路控制框圖Fig.5　Control block diagram of backer stage circuit

2.3電容參數(shù)設(shè)計

兩級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中有2個電容：光伏模塊輸出側(cè)的電容C1和前后級之間并聯(lián)的電容C2。在傳統(tǒng)控制方式下，C1用作濾波電容，取值較??；C2對前后級功率傳輸器緩沖作用，通常取值較大。

對于本文提出的改進控制方法，由于Boost變換器間斷工作，為保證Boost變換器停止工作模式下，功率傳輸仍能正常進行，因此，C1主要起功率緩沖的作用，C1取值可參考單級式并網(wǎng)系統(tǒng)的平波電容，其中C1計算公式：

式中：K為允許的光伏電池電壓波動系數(shù)，取0.1；ω為電網(wǎng)電壓角頻率。

由于C1已經(jīng)起到了緩沖功率傳輸?shù)淖饔?，因此，C2只需實現(xiàn)Boost變換器輸出濾波功能，取值較小，按照輸出濾波電容設(shè)計，如下式：

式中：ΔVdc為要求的紋波電壓；fs為開關(guān)頻率。

3　仿真與實驗驗證

3.1仿真驗證

為了驗證本文所提出的控制方法，在PSIM環(huán)境下建立了仿真模型。仿真參數(shù)為：光伏陣列最大功率PPV=4 kW，光伏陣列最大功率點電壓VPV=180 V，直流母線電壓參考值Vdc=400 V，電網(wǎng)電壓220 V/50 Hz，Boost變換器平波電容C1= 4 000 μF，儲能電感LB=0.4 mH，Boost電路輸出濾波電容C2=100 μF、濾波電感L=8.5 mH。

圖6所示為Boost變換器運行的仿真結(jié)果。當VPV＞|Vgrid|時，Boost變換器不工作，變量Flag為0；當VPV＜|Vgrid|時，Boost變換器正常工作，F(xiàn)lag為1。同時也可從S0開關(guān)的調(diào)制波DCPWM看出Boost變換器開關(guān)在一段區(qū)間不工作。

圖6　Boost變換器的仿真結(jié)果Fig.6　Simulation results of Boost converter operating mode

圖7所示為直流母線電壓仿真結(jié)果?？梢钥闯?，在Boost工作區(qū)間，在400 V左右波動，在Boost停止工作模式時下降，但直流母線電壓始終高于電網(wǎng)電壓絕對值，滿足逆變要求。

圖7　直流母線電壓仿真結(jié)果Fig.7　Simulation results of DC bus voltage

圖8所示為光伏陣列輸出功率的仿真結(jié)果，Pout為光伏模塊輸出電壓以0.02 s為周期在0～210 V之間變化時，光伏模塊的實際輸出功率，每個周期的最大值構(gòu)成的輪廓線即為不同時刻光伏陣列輸出的最大功率。光伏陣列的實際輸出功率PPV與Pout的輪廓重合，可以看出光伏陣列輸出功率一直運行在最大功率點處。

圖8　光伏陣列輸出功率仿真結(jié)果Fig.8　Output power simulation results of PV module

圖9所示為電網(wǎng)電壓Vgrid和輸入電網(wǎng)電流iac的波形?？梢钥闯鲭娋W(wǎng)電壓與輸入電網(wǎng)的電流同頻同相，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)逆變并網(wǎng)的要求。

圖9　電網(wǎng)電壓和輸入電網(wǎng)的電流波形Fig.9　Simulation results of grid voltage and current

圖10所示為工作模式切換時的電流瞬態(tài)波形，F(xiàn)lag從0變?yōu)?時和從1變?yōu)?時，即前級由工作到停止或由停止到工作的切換瞬間，并網(wǎng)電流波形無畸變，不受前級控制的影響。同時從圖11所示的并網(wǎng)電流FFT分析結(jié)果可知，并網(wǎng)電流基本無諧波。

圖10　工作模式切換時的電流瞬態(tài)波形Fig.10　Current transient waveform during the transition between two modes

圖11　并網(wǎng)電流的FFT分析Fig.11　FFT analysis of grid-connected current

3.2實驗驗證

本文以英飛凌單片機XE164為控制核心，搭建了1臺兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺。實驗參數(shù)為：在最大功率點跟蹤運行控制下光伏電池輸出電壓40 V，輸出功率160 W，電網(wǎng)電壓50 V/50 Hz，直流母線電壓80 V，C1為2 000 μF，其它參數(shù)同仿真條件。

圖12分別是光伏輸出電壓Vpv，直流母線電壓Vdc和電網(wǎng)電壓Vo波形。因前后級能量平衡和隨動型，直流母線上有100 Hz的波動。

圖12　光伏輸出電壓、直流母線電壓和電網(wǎng)電壓波形Fig.12　Waveforms of the PV output voltage，DC bus voltage and grid voltage

由圖12中的Vpv與電網(wǎng)電壓絕對值比較，并根據(jù)本文所設(shè)計的方法得出如圖13所示的前級Boost開關(guān)管S0的DCPWM驅(qū)動信號波形?？梢钥闯鲩_關(guān)管S0在20 ms工頻周期內(nèi)有2段區(qū)間不工作，因此前級開關(guān)管的損耗可以得到有效降低。

圖13DCPWM驅(qū)動信號Fig.13　DCPWM drive signal

圖14是光伏發(fā)電后級逆變器輸出電流和并網(wǎng)電壓波形?？梢钥闯龊蠹壞孀兤骺刂茖崿F(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)功能，系統(tǒng)整體效率為94.5%。

圖14　電網(wǎng)電壓和逆變輸出電流波形Fig.14　Grid voltage and inverter output current waveforms

4　結(jié)論

在傳統(tǒng)兩級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的控制思路：當光伏輸出電壓高于逆變輸出電壓絕對值時，前級Boost變換器停止工作；而當光伏輸出電壓低于逆變輸出電壓絕對值時，Boost變換器正常工作，并實現(xiàn)直流母線穩(wěn)壓功能。后級控制實現(xiàn)MPPT及單位功率因數(shù)逆變控制要求。

這種方法具有前級開關(guān)管動作次數(shù)少，開關(guān)損耗低的優(yōu)點。通過仿真和實驗驗證了這種方法能夠確保電能質(zhì)量，并且開關(guān)次數(shù)較傳統(tǒng)控制方式少，降低了開關(guān)損耗。

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Novel Control Method Based on Dual-stage Grid-connected Photovoltaic System

REN Biying，HAO Jinli，SUN Xiangdong，ZHANG Qi，AN Shaoliang
（Faculty of Automation and Information Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

For residential photovoltaic roof power system，two-stage structure composed of Boost converter and inverter is usually adopted.A novel control method was proposed to improve the operation efficiency of this system. The relationship between the PV output voltage and the absolute value of the grid voltage was judged in real time.If PV output voltage was higher than absolute value of the grid voltage，Boost converter stoped work.If the PV output voltage was less than the absolute value，Boost converter worked for the stability of the DC bus voltage，while the backer-stage inverter was controlled to realize the maximum power point tracking（MPPT）and unit power factor inverter.Simulation and experiment results show that the switching number of the switch tube in former-stage converter is reduced，and the efficiency of the system is improved，and the electrical quality of the grid-connected power system is ensured.

grid-connected PV；Boost converter；intermittent operation；switching losses；grid-connected control

TM615；TM464

A

2015-06-05

修改稿日期：2016-01-20

國家自然科學基金（51477139）；陜西省協(xié)同創(chuàng)新計劃（2014XT-19）

任碧瑩（1971-），女，副教授，碩士生導師，博士，Email：renby@126.com