單 峽，王心謹(jǐn)，彭 輝，季 強

（1．金陵科技學(xué)院，南京211169；2．航天材料及工藝研究所，北京100076；3．哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院，哈爾濱150001；4．國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410073）

基于擾動跟蹤法的單相兩級式光伏并網(wǎng)逆變器研究

單 峽1，王心謹(jǐn)2，彭 輝3，季 強4

（1．金陵科技學(xué)院，南京211169；2．航天材料及工藝研究所，北京100076；3．哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院，哈爾濱150001；4．國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410073）

兩級式單相逆變并網(wǎng)裝置擁有單獨控制、效率高等特點。針對并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中的兩級單相逆變裝置展開研究，此逆變裝置兩級由Boost直流變換裝置與逆變裝置組成。Boost直流升壓裝置實現(xiàn)最大功率點追蹤，逆變裝置實現(xiàn)并網(wǎng)逆變操作。最大功率點控制采用擾動追蹤法，該控制與并網(wǎng)逆變控制彼此獨立、互不影響。Matlab實驗仿真及實物平臺試驗均證實了該策略的實用性。

逆變器；兩級式；光伏；并網(wǎng)

0 引言

光能以清潔、來源廣泛等優(yōu)點已成為21世紀(jì)最具潛力的能源之一，光伏發(fā)電技術(shù)也將在電力系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用。光伏電力技術(shù)劃為獨立型與并網(wǎng)型。獨立型的光伏電力裝置多用于偏遠地帶的用電。并網(wǎng)型的光伏發(fā)電技術(shù)目前已經(jīng)形成一套成熟的應(yīng)用體系，相對于獨立型的光伏系統(tǒng)，其成本相對較低，具有理想的實用前景［1］。在并網(wǎng)系統(tǒng)中，單級逆變裝置以構(gòu)造簡單而被廣泛采用。但是其最大功率跟蹤控制和并網(wǎng)控制均在同一控制回路完成，控制較為復(fù)雜，而且輸出級要使用一個工頻變壓器，體積較大且笨重［2］。針對以上問題，以3kW的單相兩級式光伏并網(wǎng)裝置作為研究目標(biāo)。該系統(tǒng)第一級以Boost電路取代單級式結(jié)構(gòu)中工頻變壓裝置，并完成最大功率點追蹤（MaximumPowerPointTracking，MPPT），后級以單相全橋逆變器實現(xiàn)直流穩(wěn)壓及并網(wǎng)控制。本文對并網(wǎng)系統(tǒng)提出一套具有實用前景的控制方法，同時利用Matlab仿真軟件及實物平臺對提出的方法策略進行測試。

1 單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)設(shè)計

1.1 并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本研究使用的3kW單相光伏并網(wǎng)逆變裝置如圖1所示，它由Boost直流升壓電路和單相逆變器構(gòu)成。Boost直流變換裝置進行升壓和MPPT調(diào)節(jié)，單相逆變裝置實現(xiàn)并入電網(wǎng)過程。

該光伏逆變系統(tǒng)的主要特點是能進行自由擴展，各個光伏電池可利用各自的Boost電路和同一個逆變器連接，多個光伏電池通過各自的直流升壓裝置可完成MPPT調(diào)節(jié)，互不影響。由于只采用了兩級變換，其效率較高。

1.2 系統(tǒng)主要參數(shù)計算

（1）輸入電感L1

設(shè)計Boost電路時，第一步要解決的是輸入電源電壓波動問題。例如，當(dāng)電源電壓突然降低時，為了穩(wěn)定住原電壓，控制器需要增大占空比D使電壓增益變大。而往往在實際的變換器系統(tǒng)中，占空比D會有上限，如果D溢出上限值時，輸出的電壓會不增反降。通常實際系統(tǒng)中升壓電路的占空比Dmax都限制在0．88以下［3］。同時，L1的選擇還要滿足紋波的要求，計算公式為：

其中，UPV是光伏電池電壓輸出，本設(shè)計中UPV的范圍為200V～400V；f是開關(guān)頻率，取定f＝20kHz；ΔI是設(shè)計紋波電流，令ΔI＝3A。計算得：L1＝2．93mH，綜合考慮取為3mH。

（2）直流輸出電容C2

設(shè)計輸出直流電壓紋波為ΔV，本設(shè)計中取2V，可得：

由上述等式可以得到C2的計算公式為：

其中，ΔQ為電荷變化量，I0為輸出電流，其最大值經(jīng)計算約為13．6A，T為開關(guān)周期。經(jīng)過計算得：C2＝200μF。實際中，為更好地抑制紋波電壓及考慮其儲能作用選為2200μF/600V。

（3）濾波電感L2

取濾波電感電流脈動最大為ΔImax，根據(jù)工程經(jīng)驗，ΔImax取滿功率狀態(tài)下額定電流的10%，即1．36A。計算公式為：

則可得濾波電感L2的計算公式為：

其中，VDC是逆變電路前端電容C2電壓，取定400V，選擇所用電力器件工作頻率fs＝20kHz。經(jīng)過計算得：L2＝1．83mH，實際中取為3mH。

（4）濾波電容C3

濾波電容的選擇首先要考慮輸出濾波器對高頻諧波的抑制能力，通常濾波器時間常數(shù)取為5～10倍高頻脈沖周期［4］，這里取10倍，即：

所以可得：

經(jīng)計算得：C3＝2．11μF，考慮到L、C的時間常數(shù)增大有利于對輸出的高頻分量的抑制，故實際中取為10μF。

2 基于擾動跟蹤法的MPPT控制

根據(jù)光伏陣列工作的非線性的性質(zhì)，處于穩(wěn)定環(huán)境狀態(tài)時，往往擁有獨一的輸出功率上限值，此時輸出功率最大。若環(huán)境改變，例如溫度和光照發(fā)生波動，其輸出功率極大值也相應(yīng)發(fā)生改變［5］。

圖2 擾動跟蹤流程圖Fig.2 Flowchart of perturb and observe algorithms

目前，MPPT主要分為定電壓法、擾動跟蹤法、電導(dǎo)增量法等。其中，擾動跟蹤法以實現(xiàn)簡單及跟蹤效果較好而被廣泛采用，本文基于此方法進行設(shè)計。

擾動跟蹤法原理為：取定一個增量ΔD，對Boost升壓裝置的占空比D添加增量，然后根據(jù)檢測輸出電壓與輸出電流信息計算輸出功率，再同上一拍的功率相減。結(jié)果為正，則說明D的變化方向正確，繼續(xù)同向增大D；結(jié)果為負(fù)，增量取負(fù)，反向改變D的大小［6］，跟蹤流程如圖2所示。

3 逆變并網(wǎng)控制

逆變并網(wǎng)調(diào)節(jié)按照對象能劃為輸出電壓調(diào)節(jié)和輸出電流調(diào)節(jié)。采用輸出電壓控制方式實施并網(wǎng)操作時，要嚴(yán)格要求逆變器輸出電壓同電網(wǎng)電壓幅值、頻率與相位相同，否則將會形成較大的環(huán)流，對系統(tǒng)造成嚴(yán)重的沖擊。所以，光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置更多選擇輸出電流型控制方法［7］。在并入電網(wǎng)操作時使用電流控制方式，同前者相比僅滿足輸出電流與電網(wǎng)電壓的頻率相位相同便可，因此大大降低了整個系統(tǒng)并入電網(wǎng)的難度。逆變并網(wǎng)系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 逆變器并網(wǎng)控制框圖Fig.3 Control block diagram of grid-connected inverter

圖3所示的是電壓外環(huán)參考電壓，VDC是逆變橋輸入端電壓，即電容C2兩端的實際電壓采樣值，RL代表濾波電感的繞組電阻，RL＝0．5Ω，Gv（s）為電壓環(huán)的PI控制器，Go（s）是鎖相環(huán)獲得的與網(wǎng)側(cè)電壓頻率相位一致的單位正弦信號，Gi（s）表示電流環(huán)PI控制器，UN（s）代表電網(wǎng)電壓，G3（s）代表電網(wǎng)電壓前饋系數(shù)，G1（s）代表逆變橋傳遞函數(shù)，G2（s）代表濾波器的傳遞函數(shù)。

3.1 電流內(nèi)環(huán)設(shè)計

按照圖3的框圖，在不計電流環(huán)PI控制器情況下，電流內(nèi)環(huán)的開環(huán)傳函可寫成：

由控制理論可知2階系統(tǒng)品質(zhì)最佳的開環(huán)傳函［8］為：

構(gòu)建系統(tǒng)電流閉環(huán)的最終目的就是讓閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)能夠盡可能地符合式（9），令PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

考慮到PI環(huán)節(jié)需要消除逆變環(huán)節(jié)較大的時間常數(shù)，可設(shè)定：

于是得到電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

比較式（9）和式（12）可得：

經(jīng)過計算得：KP＝0．2，KI＝22。

3.2 電壓外環(huán)設(shè)計

閉環(huán)系統(tǒng)的電壓外環(huán)調(diào)節(jié)的主要任務(wù)為跟蹤逆變橋輸入端電壓。設(shè)定外環(huán)直流參考信號，同時采集Boost電力裝置的輸出電壓，將兩者進行比較。內(nèi)環(huán)給定則來自于PI控制器的輸出和單位同步鎖相信號的乘積。整個電壓環(huán)控制是根據(jù)逆變器輸入側(cè)電容C2來完成的。其物理解釋為：當(dāng)檢測電壓低于給定電壓時，系統(tǒng)對電容充電，表現(xiàn)為后級逆變環(huán)節(jié)的輸出電流減??；而檢測電壓高于給定時，電容向外放電，表現(xiàn)為后級逆變環(huán)節(jié)的輸出電流變大。

對于電壓外環(huán)PI參數(shù)的設(shè)計，由于系統(tǒng)的傳遞函數(shù)形式比較復(fù)雜，可借助Matlab仿真軟件進行仿真分析，通過仿真結(jié)果最終確定電壓外環(huán)的PI參數(shù)。

3.3 電網(wǎng)電壓前饋補償控制

若忽略電網(wǎng)電壓前饋調(diào)節(jié)，按照圖3能得到：

展開得：

由式（15）可以看出，網(wǎng)側(cè)電壓對并網(wǎng)電流有一個擾動UN（s）G2（s）。因此，需要引入一個網(wǎng)側(cè)電壓前饋補償，引入該補償，可以對系統(tǒng)的傳函進行有目的的修正，用來抑制網(wǎng)側(cè)電壓對并網(wǎng)電流的干擾。加入電網(wǎng)電壓前饋補償后有：

設(shè)G3（s）＝1/G1（s）是前饋的補償系數(shù)，根據(jù)式（16）可以看出，理想情況下網(wǎng)側(cè)電壓形成的干擾將減小為0。這樣就可以保證逆變裝置的輸出電流不受網(wǎng)側(cè)電壓影響，從而最大程度地保證逆變裝置輸出電流質(zhì)量。

4 仿真及實驗結(jié)果

4.1 仿真驗證

為了檢驗所提出的單相光伏并網(wǎng)控制方法效果，在Matlab平臺上搭建了系統(tǒng)的控制模型。為了簡化仿真模型，光伏電池模型采用通用模型［9］搭建，電網(wǎng)電壓uN＝220V，V?DC＝400V，L1＝3mH，C1＝100μF，C2＝2200μF，L2＝3mH，C3＝10μF。電流內(nèi)環(huán)參數(shù)為：KP＝0．2，KI＝22，前饋系數(shù)為0．005；電壓外環(huán)參數(shù)為：KP＝1，KI＝10，逆變并網(wǎng)系統(tǒng)光強零時刻取為1300W/m2，設(shè)計1s后光強達到1000W/m2。系統(tǒng)的最大功率追蹤及并網(wǎng)仿真波形如圖4所示。

圖4 最大功率跟蹤及并網(wǎng)仿真波形圖Fig.4 Simulation waveforms of MPPT and grid-connected

從圖4中能夠得到，光強改變前光電池輸出的最大功率達到了3200W，逆變器并網(wǎng)電流io峰值大致達到了20A；光強改變后光伏電池的輸出功率變?yōu)?600W，逆變器并網(wǎng)電流io峰值變?yōu)?6A，經(jīng)過大約1個周期系統(tǒng)達到了穩(wěn)定，整個過程中裝置輸出電流與電網(wǎng)電壓做到了相頻同步。

4.2 實驗驗證

依照本文提出的方法，設(shè)計了單相光伏并網(wǎng)逆變的實物裝置。樣機采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6型ARM控制器，整個系統(tǒng)參數(shù)依據(jù)文中的計算方法進行設(shè)計。單相光伏并網(wǎng)逆變裝置輸出波形如圖5所示。從圖5可以看出，實物裝置輸出電流與電網(wǎng)電壓相頻一致，驗證了本設(shè)計的有效性。

圖5 實驗波形圖Fig.5 The experimental waveforms

5 結(jié)論

本文研究出一種單相兩級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計方法。系統(tǒng)的最大功率追蹤控制使用了功率擾動追蹤法，并網(wǎng)控制采用輸出電流控制。依據(jù)設(shè)計的控制策略搭建了系統(tǒng)的仿真模型和實驗樣機。仿真與實物實驗結(jié)論共同驗證了設(shè)計的可靠性。但仿真中的光伏陣列采用的是軟件給定模型數(shù)據(jù)，無法得到準(zhǔn)確光伏陣列的輸出性質(zhì)，尚需進一步改進。此外，系統(tǒng)的實驗樣機輸出電流波形仍有些畸變，需反復(fù)調(diào)試實驗參數(shù)進行進一步優(yōu)化。

［1］張崢，南海鵬，余向陽，等．基于Matlab/Simulink的兩級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真分析［J］．可再生能源源，2010，28（1）：81-84．ZHANG Zheng，NAN Hai-peng，YU Xiang-yang，et al．Simulation analysis of two-stage photovoltaic grid-connected system based on Matlab/Simulink［J］．Renewable Energy Sources，2010，28（1）：81-84．

［2］施凱敏．單相光伏并網(wǎng)逆變器研究［D］．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011．SHI Kai-min．Research on single-phase photovoltaic gridconnected inverter［D］．Harbin Institute of Technology，2011．

［3］梁雪峰，曾國宏，姜久春．3kW光伏并網(wǎng)逆變器硬件設(shè)計［J］．電力電子技術(shù)，2008，42（8）：28-29+78．LIANG Xue-feng，ZENG Guo-hong，JIANG Jiu-chun．Hardware design of 3kW photovoltaic grid-connected inverter［J］．Power Electronics Technology，2008，42（8）：28-29+78．

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Research on Single Phase Two-level Grid-connected Photovoltaic Inverter

SHAN Xia1，WANG Xin-jin2，PENG Hui3，JI Qiang4
（1．Jinling Institute of Technology，Nanjing 211169；2．Aerospace Research Institute of Materials＆Processing Technology，Beijing 100076；3．College of Automation，Harbin Engineering University，Harbin 150001；4．Aerospace and Materials Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073）

Inverter was the core of grid-connected photovoltaic system．The two-level structure had the advantage of separate control and high efficiency．A grid-connected photovoltaic inverter system was mainly researched，the system was composed of a Boost DC/DC chopper in series with an inverter．By the Boost DC/DC chopper，maximum power point tracking was achieved，with the inverter，grid-connected control was realized．The maximum power point tracking and the control of the grid-connected were independent from each other which made the photovoltaic system more flexible and reliable．With theoretical analysis，the control method was established，results of simulation and experiment proved the effectiveness of the program．

inverter；two-level；photovoltaic；grid-connected

TM464

A

1674-5558（2017）03-01395

10．3969/j．issn．1674-5558．2017．03．010

單峽，女，碩士，應(yīng)用電子專業(yè)，講師，研究方向為電力電子及集成電路、電力電子應(yīng)用技術(shù)。

2017-04-18