陳 誠(chéng)，王 勛，程宏波

（華東交通大學(xué)電氣與電子學(xué)院，江西南昌330013）

光伏發(fā)電技術(shù)迅速發(fā)展，其中并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)更受到關(guān)注[1-5]。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)普遍采用兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，從而可以分級(jí)控制[6]，光伏組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為不穩(wěn)定的電能后[7-9]，經(jīng)直流變直流（DC/DC）得到較穩(wěn)定的直流電，再逆變?yōu)榻涣麟娗也⒕W(wǎng)向負(fù)載供電。在實(shí)際應(yīng)用中，往往存在光照強(qiáng)度很強(qiáng)時(shí)，直流側(cè)輸出功率大于逆變側(cè)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定的并網(wǎng)最大功率[10]，由于逆變電路功率被限制在設(shè)計(jì)功率上，此時(shí)若直流側(cè)繼續(xù)做最大功率跟蹤，這必然導(dǎo)致直流母線(xiàn)上的電壓升高，直至電容或者開(kāi)關(guān)器件損壞，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，這樣不僅造成經(jīng)濟(jì)的損失，還嚴(yán)重影響人生安全[11]。

針對(duì)上述現(xiàn)象，文獻(xiàn)[12]通過(guò)設(shè)計(jì)變步長(zhǎng)的最大功率跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制算法來(lái)控制母線(xiàn)電壓，但是并未考慮逆變側(cè)的設(shè)計(jì)功率不容許逆變側(cè)輸出功率過(guò)大。文獻(xiàn)[13]提出增大直流母線(xiàn)電容，但這造成控制系統(tǒng)響應(yīng)慢，且系統(tǒng)體積大，降低了系統(tǒng)的功率密度，成本昂貴，效果不佳。文獻(xiàn)[14]始終控制直流側(cè)輸出功率等于逆變側(cè)的輸入功率，來(lái)限制母線(xiàn)電壓波動(dòng)，但控制復(fù)雜，且這樣增加了逆變器件選型的要求，實(shí)現(xiàn)難度大。為了提高系統(tǒng)的功率密度和光伏電池能量的利用率，本文提出一種新型的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制方案，詳細(xì)分析了它的控制設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及新控制策略

系統(tǒng)采用現(xiàn)今商業(yè)上使用最多的也是最常見(jiàn)的前級(jí)Boost升壓、后級(jí)全橋逆變結(jié)構(gòu)[15-16]，選取型號(hào)為SW-10S的光伏電池串并聯(lián)為光伏陣列[17]。MPPT控制采用擾動(dòng)觀(guān)察法，它實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，并且能夠?qū)崟r(shí)控制[18-19]。Boost升壓電路和全橋逆變電路均采用了平均電流控制方法[20-21]。

本文在直流側(cè)設(shè)計(jì)了一種三環(huán)控制，即基于Boost電路原本的電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，再加入一級(jí)Boost輸出電壓的PI環(huán)，以控制電壓外環(huán)輸出。在輸入電壓外環(huán)正常工作時(shí)，Boost輸入功率小于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大功率，直流母線(xiàn)電壓被逆變電路的電壓外環(huán)穩(wěn)定，直流母線(xiàn)電壓保護(hù)環(huán)由于基準(zhǔn)一直不等于反饋，導(dǎo)致飽和輸出在限幅狀態(tài)，在控制分析中可以不考慮，此時(shí)只有電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)來(lái)控制；當(dāng)光照強(qiáng)度增強(qiáng)致使光伏組件最大輸出功率大于設(shè)計(jì)的最大功率，逆變側(cè)電壓環(huán)飽和，逆變功率由于電流基準(zhǔn)限幅而被限制，多出的功率加在電容上，電容電壓升高，當(dāng)大于設(shè)定的保護(hù)電壓時(shí)，直流母線(xiàn)電壓保護(hù)環(huán)開(kāi)始作用，Boost電壓外環(huán)飽和輸出在限幅狀態(tài)，輸入的Boost電流基準(zhǔn)只由直流保護(hù)環(huán)的輸出決定，這樣就保證了輸出不超過(guò)最大功率，直流母線(xiàn)電壓不超過(guò)設(shè)定值。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于設(shè)計(jì)需要，列出標(biāo)態(tài)下（溫度25℃，光照1 000 W·m-2），系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置Tab.1 System parameters

整個(gè)控制系統(tǒng)分為Boost三環(huán)控制和逆變電路雙環(huán)控制，本文先重點(diǎn)分析Boost三環(huán)控制設(shè)計(jì)，再簡(jiǎn)要說(shuō)明逆變電路控制設(shè)計(jì)。

圖1 Boost三環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure chart of Boost three-loop control

2.1 前饋設(shè)計(jì)

加入前饋環(huán)節(jié)屬于一種復(fù)合控制方案，從抑制擾動(dòng)的角度看，前饋控制可以很大地減輕反饋控制的負(fù)擔(dān)，易于系統(tǒng)的穩(wěn)定。當(dāng)控制環(huán)節(jié)采用典型一階系統(tǒng)時(shí)，雖然使系統(tǒng)具有很好的跟隨性，但系統(tǒng)受干擾時(shí)，需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能使系統(tǒng)穩(wěn)定；如采用典型二階系統(tǒng)，雖能增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能，但降低了其跟隨性能。因此考慮在典型一階系統(tǒng)中加入前饋設(shè)計(jì)，就可以保證系統(tǒng)的跟隨性和抗干擾性能。

本文采用了靜態(tài)前饋補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)，設(shè)電壓前饋系數(shù)，剛好可以抑制電壓的擾動(dòng)。從補(bǔ)償?shù)脑韥?lái)看，前饋補(bǔ)償不會(huì)改變反饋控制的系統(tǒng)的特性，所以在分析電流環(huán)和電壓環(huán)時(shí)，可以不考慮前饋的影響[23-24]。

2.2 Boost電流內(nèi)環(huán)的控制設(shè)計(jì)

由圖2可以寫(xiě)出Boost電流內(nèi)環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Goi(s)：

根據(jù)Boost電路小信號(hào)模型，考慮到MPPT相對(duì)電壓環(huán)很慢，得到電感電流iL與占空比d之間的傳遞函數(shù)Gid(s )[20-22]：

為了提高電流環(huán)的低頻增益和高頻抑制，加快電流內(nèi)環(huán)跟蹤速度和減小穩(wěn)態(tài)誤差，需增加補(bǔ)償環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)Gci(s)如下，其中Kip為電流環(huán)補(bǔ)償環(huán)節(jié)比例調(diào)節(jié)增益，τi為積分時(shí)間常數(shù)。

由于電流采樣要實(shí)時(shí)跟蹤電流，需采樣到開(kāi)關(guān)量，所以電流采樣的截止頻率就定義在開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)合并兩個(gè)小時(shí)間常數(shù)，得電流環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Goi(s)：

考慮電流環(huán)的快速跟隨性能，采用典型一階系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，要求PI的零點(diǎn)和Gid(s)的極點(diǎn)相抵消且系統(tǒng)阻尼比為 0.707[23-25]，可得。將各參數(shù)結(jié)果帶入式（4），得到電流環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Goi()s：

現(xiàn)代項(xiàng)目管理模式中贈(zèng)添了范圍管理和項(xiàng)目集中管理兩塊管理領(lǐng)域。現(xiàn)代項(xiàng)目管理同時(shí)針對(duì)于項(xiàng)目管理的風(fēng)險(xiǎn)和不確定因素，傳統(tǒng)項(xiàng)目管理模式更多地對(duì)項(xiàng)目工期重視，各個(gè)項(xiàng)目沒(méi)有集成、范圍和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)管理。導(dǎo)致傳統(tǒng)項(xiàng)目在管理中各部門(mén)缺乏聯(lián)系對(duì)問(wèn)題處理上沒(méi)有針對(duì)性，這也是傳統(tǒng)項(xiàng)目管理模式效用難以提高的關(guān)鍵原因。現(xiàn)代項(xiàng)目管理相比于傳統(tǒng)項(xiàng)目管理新增了范圍項(xiàng)目、集成項(xiàng)目、風(fēng)險(xiǎn)控制的專(zhuān)項(xiàng)管理模式，可使項(xiàng)目管理效用有效提高，這也是現(xiàn)代項(xiàng)目管理模式成為當(dāng)前主流的最重要原因。

電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Gi(s)：

當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率很高時(shí)，可忽略掉二次項(xiàng)，則電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)Gi(s)可簡(jiǎn)化：

若繪出電流內(nèi)環(huán)開(kāi)環(huán)波特圖和閉環(huán)波特圖，可以看到兩個(gè)傳遞函數(shù)都有足夠的相位裕量和增益裕量，系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能較強(qiáng)。

2.3 Boost輸入電壓外環(huán)的控制設(shè)計(jì)

本文Boost電路控制存在兩個(gè)電壓環(huán)，即輸入的電壓外環(huán)和直流母線(xiàn)電壓保護(hù)環(huán)。雙電壓環(huán)所對(duì)應(yīng)的電壓基準(zhǔn)不一樣，在分析輸入電壓外環(huán)時(shí)，不考慮直流母線(xiàn)電壓保護(hù)環(huán)。

電壓外環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Gov(s)：

為簡(jiǎn)化分析，根據(jù)Boost電路小信號(hào)模型和光伏電池的模型，在考慮MPPT遠(yuǎn)慢于電壓環(huán)和忽略輸入電容的內(nèi)阻情況下，可以得到輸入電壓uin與電感電流iL之間的傳遞函數(shù)Gvi(s)，其中，Req為最大功率點(diǎn)時(shí)光伏電池等效內(nèi)阻。

與電流內(nèi)環(huán)一樣，加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)Gcv(s)來(lái)增加開(kāi)環(huán)增益，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和濾除高次諧波，Gcv(s)表示如下，其中Kvp和τv分別為電壓環(huán)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)。

由于在對(duì)直流電壓采樣中，我們需要濾除由于交流電網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)功率帶來(lái)的直流母線(xiàn)的波動(dòng)，一般截止頻率設(shè)置在電網(wǎng)頻率的十分之一處。將各式帶入，并合并兩個(gè)小時(shí)間常數(shù)，得電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Gov(s)：

實(shí)際光伏電池的阻抗是受光照、溫度和工作電流等因素影響，為簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，方便補(bǔ)償環(huán)節(jié)參數(shù)計(jì)算，設(shè)Req=0。綜合考慮電壓外環(huán)的抗干擾性能和跟隨性能，按典型Ⅱ型系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器，工程上一般取中頻寬h為5，得到：

由典型Ⅱ型系統(tǒng)震蕩指標(biāo)法，以閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)則來(lái)給控制器參數(shù)整定[22-25]，有：

結(jié)合以上兩式和系統(tǒng)參數(shù)，可得補(bǔ)償環(huán)節(jié)參數(shù)τv=1，最后可得電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Gov(s)：

可以從其波特圖看出傳遞函數(shù)滿(mǎn)足系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的要求。

2.4 Boost直流母線(xiàn)電壓保護(hù)環(huán)設(shè)計(jì)

同輸入電壓外環(huán)的分析一樣，只考慮直流母線(xiàn)電壓保護(hù)環(huán)工作。輸出電壓uo與輸入電流iL的傳遞函數(shù)Gbi(s)如下，其中Ro為Boost等效輸出電阻。

按照典型二階系統(tǒng)參數(shù)整定可得補(bǔ)償環(huán)的積分時(shí)間常數(shù)τb=1，比例調(diào)節(jié)增益最后可得直流保護(hù)電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Gob(s)為：

可以從其波特圖看出，它的相位裕量和增益裕量滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

2.5 逆變電路雙環(huán)設(shè)計(jì)

逆變電路采用傳統(tǒng)雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，控制的電壓為直流母線(xiàn)電壓，同Boost電路控制環(huán)路設(shè)計(jì)一樣，全橋逆變電路電流環(huán)的補(bǔ)償環(huán)節(jié)(s)和電流開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)(s)：

可以從它們的波特圖證實(shí)傳遞函數(shù)有足夠的相位裕量和增益裕量。

3 仿真結(jié)果

3.1 逆變電流輸出并網(wǎng)

逆變器接電網(wǎng)，需保持電感電流iL與電網(wǎng)電壓uLN同頻同相位，仿真波形如圖2所示。從圖2中可以看到，電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流始終同頻同相位，實(shí)現(xiàn)了輸出功率因數(shù)為1的要求。

3.2 最大功率跟蹤仿真

要知道本文中的MPPT能否實(shí)現(xiàn)，需觀(guān)察Boost輸入電壓uin和電流iin，其波形如圖3所示，其中輸入電壓幅值縮至0.1倍，輸入電流幅值不變。

從仿真結(jié)果中可以看到，輸入電壓穩(wěn)定在約280 V的位置，輸入電流均值在11.4 A附近，與光伏組件參數(shù)Um=280 V，Im=11.4 A一致，驗(yàn)證了MPPT能實(shí)現(xiàn)。

圖2 電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形Fig.2 Waveform of grid voltage and current

圖3 Boost輸入電壓與電流波形Fig.3 Input voltage and current waveform of Boost

3.3 直流母線(xiàn)電壓保護(hù)仿真結(jié)果

光照增強(qiáng)至1 500 W·m-2下，對(duì)加了直流母線(xiàn)電壓保護(hù)環(huán)的直流母線(xiàn)電壓ubusb及Boost電感電流iLb和沒(méi)加保護(hù)環(huán)的直流母線(xiàn)電壓ubus及Boost電感電流iL進(jìn)行仿真對(duì)比，得到仿真波形圖如圖4所示。

光照增強(qiáng)直接導(dǎo)致光伏組件最大輸出功率增加，由于逆變側(cè)功率被限制，此時(shí)若繼續(xù)做MPPT，多出的功率加在直流母線(xiàn)電容上，圖中可以看到ubus持續(xù)升高，無(wú)法抑制；而加了保護(hù)的電路，保護(hù)環(huán)輸出作為Boost電感電流基準(zhǔn)，控制其大小，圖中可見(jiàn)iLb峰值明顯小于iL，使得ubusb穩(wěn)定在直流母線(xiàn)電壓保護(hù)環(huán)的基準(zhǔn)電壓400 V上下，很好的實(shí)現(xiàn)了限制直流母線(xiàn)電壓過(guò)高，保護(hù)電路器件，使系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作的目的，證明了該保護(hù)是有效的。

圖4 直流母線(xiàn)電壓保護(hù)驗(yàn)證圖Fig.4 Verification figure of DC bus voltage protection

4 結(jié)論

本文對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，提出了一種新型控制，在Boost功率大于逆變電路功率時(shí)，通過(guò)直流母線(xiàn)電容過(guò)電壓的保護(hù)控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)Boost功率以匹配逆變電路功率。從仿真波形對(duì)比中可以看到這種控制能有效地使直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在預(yù)設(shè)電壓值附近，同時(shí)滿(mǎn)足系統(tǒng)額定功率輸出，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

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