張浩 劉文達(dá) 蔣煒

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

當(dāng)前，隨著石油能源的高度消耗，能源危機(jī)愈來(lái)愈盛，同時(shí)石化能源的開(kāi)采、運(yùn)輸和利用對(duì)環(huán)境的影響和破壞也不容忽視。世界上主要發(fā)達(dá)國(guó)家都開(kāi)始重視可再生能源的利用和研究。所有再生能源中，光伏發(fā)電是利用最靈活、最可行的一種能源。因此，在我國(guó)政府的高度重視下太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電也被列入了重點(diǎn)扶持的范圍。光伏并網(wǎng)發(fā)電是利用太陽(yáng)能發(fā)電的一種有效方式，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需要采用并網(wǎng)逆變器作為電能轉(zhuǎn)換裝置將光伏陣列所輸出的直流電變換成交流電送入電網(wǎng)[1]。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心是并網(wǎng)逆變器，其控制系統(tǒng)的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。為了達(dá)到并網(wǎng)逆變器輸出電流的幅值與相位可控并可快速跟隨電網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)能量回饋的目的，一般采用電流內(nèi)環(huán)及電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其中電壓外環(huán)用于控制逆變器的輸出電壓， 電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的波形和相位控制，電流內(nèi)環(huán)的動(dòng)態(tài)性能直接影響電壓外環(huán)的控制性能和穩(wěn)定性。因此，本文通過(guò)在同步坐標(biāo)系中將三相交流電流分解變換成直流量，分別對(duì)有功電流和無(wú)功電流控制的基礎(chǔ)上，采用基于空間矢量的調(diào)制方式控制并網(wǎng)電流，相對(duì)與采用滯環(huán)控制方式具有實(shí)時(shí)控制、電流響應(yīng)快、輸出電壓電流波形不含特定次諧波等優(yōu)點(diǎn)，且功率器件的開(kāi)關(guān)頻率固定的優(yōu)點(diǎn)?？刂瓶驁D如圖1所示[2]。

圖1 三相VSR p-q解耦矢量控制法結(jié)構(gòu)框圖

2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)原理

系統(tǒng)的基本控制過(guò)程如下：首先，控制系統(tǒng)將采集到的并網(wǎng)逆變器輸出三相電流ica、icb、icc經(jīng)過(guò)Clark變換和Park變換后，分解為有功電流量和無(wú)功電流量，再與指令電流比較后經(jīng)過(guò) PI電流調(diào)節(jié)器后生成新的逆變器控制指令；由于并網(wǎng)逆變器通常需要控制為單位功率因數(shù)運(yùn)行，因此，令無(wú)功電流為零，而有功電流的指令由MPPT控制器給出。為使并網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率輸出達(dá)到最大，須采用鎖相技術(shù)控制輸出電流的頻率和相位與電網(wǎng)電壓嚴(yán)格同步，此時(shí)采集電網(wǎng)電壓eca、ecb、ecc，利用式(1)將所測(cè)得的電網(wǎng)電壓進(jìn)行變換，然后采用相應(yīng)算法利用反正切函數(shù)求得電網(wǎng)矢量電壓旋轉(zhuǎn)角度θ，θ角為同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下q軸與電網(wǎng)A相坐標(biāo)軸之間的角度。見(jiàn)圖2[3]。

在靜止三相 ABC坐標(biāo)系下，三相電流并網(wǎng)狀態(tài)方程可由下式（2）來(lái)描述：

圖2 靜止ABC與同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系間的變換

式中忽略電感內(nèi)阻R。

為了實(shí)現(xiàn)有功電流和無(wú)功電流分別控制的目的，將基于靜止ABC坐標(biāo)系的并網(wǎng)方程（2）變化為同步d-q坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程（3）。這樣所有的交流量變換為直流量，有利于PI電流調(diào)節(jié)器對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行閉環(huán)控制。

式中，下標(biāo)d、q代表d-q軸參數(shù)量；ω為電網(wǎng)基波電壓旋轉(zhuǎn)角度。

假設(shè)三相電網(wǎng)電壓為不含任何諧波的正弦分量，應(yīng)用Park變換可得d-q坐標(biāo)系下[4]：

式中，V為電網(wǎng)每相電壓的峰值。

再根據(jù)三角函數(shù)的關(guān)系，在同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下，三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸送到電網(wǎng)的有功和無(wú)功功率為：

再結(jié)合上式（2-4）可得：

根據(jù)上式（6）可知，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出到電網(wǎng)的有功功率依據(jù)d軸電流id進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸送到電網(wǎng)的無(wú)功功率依據(jù)q軸電流iq調(diào)節(jié)。因此在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下通過(guò)對(duì)d-q軸電流分別控制就可以實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸送到電網(wǎng)的有功和無(wú)功的解耦控制并且可通過(guò)控制d軸id電流，調(diào)節(jié)光伏陣列輸出電壓實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，間接提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)控制q軸電流iq為 0，可以使光伏陣列通過(guò)電壓源型逆變器輸出并網(wǎng)電流完全與市電電壓相位相同，功率因數(shù)為1[5]。

3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)輸出電流對(duì)公用電網(wǎng)電壓波形快速準(zhǔn)確跟蹤，為了獲得期望的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，光伏并網(wǎng)逆變器的電流調(diào)節(jié)器需要具有很好的隨動(dòng)性能，快速的跟蹤電流控制環(huán)的給定信號(hào)。本文根據(jù)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)特性選擇典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)PI電流調(diào)節(jié)器[6]。

在時(shí)域內(nèi)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

式中:Kip為比例系數(shù)，Kil為積分系數(shù)，

由圖1可推導(dǎo)得，并網(wǎng)逆變器電流控制環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為[7]：

式中:K為逆變橋放大系數(shù)，Kf為電流反饋系數(shù)，τa為輸出濾波器時(shí)間常數(shù)，τS為開(kāi)關(guān)周期，τf為反饋濾波時(shí)間常數(shù)。

加入電流調(diào)節(jié)器后的PI校正環(huán)后，可以推導(dǎo)得電流環(huán)開(kāi)環(huán)的傳遞函數(shù)為：

考慮到電流內(nèi)環(huán)需要有較快的電流跟蹤特性，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，消去一對(duì)零極點(diǎn)，得出PI電流調(diào)節(jié)器應(yīng)滿(mǎn)足[8]：

將式（10）代入式（9）得到校正為典型 I型系統(tǒng)的電流開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)形式：

4 仿真驗(yàn)證與比較

為了論證光伏并網(wǎng)控制策略的合理性，為10 kW 工程樣機(jī)的調(diào)試提供理論依據(jù)，我們以MATLAB7.1仿真軟件為平臺(tái)在SIMULINK中進(jìn)行了原理仿真驗(yàn)證。仿真系統(tǒng)設(shè)定：光伏電池額定直流電壓Udc=400 V，直流母線(xiàn)電容C=13400μF，輸出電抗器L=10 mH，輸出變壓器為Y/Δ結(jié)構(gòu)、變比380/95，電網(wǎng)電壓U=380 V，頻率f=50 Hz，仿真步長(zhǎng)1e-3。

假設(shè)并網(wǎng)逆變器正常工作時(shí)電網(wǎng)相電壓峰值311 V；外環(huán)MPPT給定電流有效值為70 A。并網(wǎng)時(shí)的輸出電流和電網(wǎng)電壓波形如圖3所示。

通過(guò)分析光伏并網(wǎng)逆變器的仿真結(jié)果，如圖4所示，可以知道：通過(guò)雙閉環(huán)控制，交流側(cè)的輸出電流接近理想的正弦波，交流側(cè)電流(方向?yàn)閺哪孀兤魍娋W(wǎng)方向看)與電網(wǎng)電壓同相，輸出諧波THD值含量為3.02%，低于5%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了單位功率因數(shù)運(yùn)行。

圖3 并網(wǎng)時(shí)的輸出電流和電網(wǎng)電壓波形圖

圖4 并網(wǎng)時(shí)的輸出電流的諧波分析圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)10 kW光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真，并在仿真結(jié)果的指導(dǎo)下進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)與仿真結(jié)果基本吻合，從而驗(yàn)證了基于SVPWM的雙閉環(huán)控制方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度塊，輸出電流諧波含量低，功率因數(shù)高，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差跟蹤，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生“污染”，做到了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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