吳威

（揚(yáng)州市供電公司，江蘇揚(yáng)州 225000）

當(dāng)今社會(huì)，不可再生能源的日益緊缺以及環(huán)境污染的日益加劇，使得太陽(yáng)能等可再生能源的利用受到了學(xué)術(shù)界和工程界人士的強(qiáng)烈關(guān)注。光伏發(fā)電技術(shù)也因此得到了快速的發(fā)展。并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心器件，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制策略的選取直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，逆變器控制策略的研究成為了當(dāng)下的熱點(diǎn)之一[1]。

1 光伏并網(wǎng)逆變器

1.1 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

并網(wǎng)逆變器主要完成兩個(gè)任務(wù)：1）實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤；2）向電網(wǎng)輸送與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦電流。圖1為兩級(jí)式單相光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中包括BOOST電路和單相全橋電路。前級(jí)主要實(shí)現(xiàn)將電池端電壓上升到并網(wǎng)所要求的電壓，并能對(duì)光伏電池進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤；后級(jí)主要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的同頻同相控制以及直流母線電壓的穩(wěn)定。

圖1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The topology of the main circuit

基于圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建出主控制流程圖，如圖2所示。其具體控制過(guò)程為：前側(cè)分別采樣光伏電池的輸出電壓、電流，經(jīng)過(guò)MPPT環(huán)節(jié)，產(chǎn)生參考電壓Upvref，再與實(shí)際電壓相減，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器1后生成PWM波，控制BOOST電路工作。后側(cè)逆變環(huán)節(jié)，將直流母線參考電壓Udcref與采樣電壓Udc相減，差值經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器2之后乘以單位電網(wǎng)同步信號(hào)，得到參考電流Iref信號(hào)，該信號(hào)再減去電網(wǎng)采樣電流Ig，其結(jié)果通過(guò)調(diào)節(jié)器3后再與電網(wǎng)電壓前饋信號(hào)相加，得到控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變器工作[2-3]?？梢?jiàn)，由于前后兩級(jí)的控制目標(biāo)相互獨(dú)立，使得控制策略實(shí)現(xiàn)了解耦控制。

圖2 系統(tǒng)主控制框圖Fig.2 The main control structure of the PV system

1.2 逆變器控制策略

圖3 電流內(nèi)環(huán)控制圖Fig.3 The control structure of the current inner loop

1.2.1 電流內(nèi)環(huán)控制

電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中已引入電網(wǎng)電壓前饋控制。由于逆變器開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz，遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率，為了便于分析，可忽略其對(duì)系統(tǒng)的影響，將PWM逆變單元看作一個(gè)增益環(huán)節(jié)。

對(duì)圖3中的電網(wǎng)電壓Ug進(jìn)行單獨(dú)分析，提出其數(shù)學(xué)關(guān)系式

因此，要消除Ug的影響，應(yīng)取K=1/KPWM。則電流內(nèi)環(huán)控制的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

這樣，通過(guò)引入電網(wǎng)電壓前饋，在理論上消除了電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。

1.2.2 引入功率前饋的電流內(nèi)環(huán)控制

引入功率前饋控制[5]，就是在參考電流中加入能反映光伏電池輸出功率的信號(hào)。當(dāng)光伏電池輸出功率發(fā)生變化時(shí)，參考電流也隨即改變，加快了并網(wǎng)電流的響應(yīng)速度，同時(shí)也減小了直流母線電壓在該過(guò)渡過(guò)程中的波動(dòng)。其控制圖如圖4所示。

圖4 引入功率前饋的主控制框圖Fig.4 The main control structure with inputpower feed-forward

由圖4可知，分別采樣光伏輸出電壓、電流以及電網(wǎng)電壓，根據(jù)式（3）計(jì)算得到附加的電流參考值Ifd。式中，U為電網(wǎng)電壓有效值。

則新的電流總參考值為

式中，Irefamp為電壓外環(huán)調(diào)節(jié)所得到的參考值。

由于功率前饋控制的引入，緩解了直流母線電壓外環(huán)的調(diào)節(jié)壓力，輸入功率的變化情況直接反映到逆變器側(cè)，因此，母線電壓波形也得到了較為顯著的優(yōu)化。

2 仿真實(shí)驗(yàn)及波形分析

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)

基于上面的分析比較，分別就兩種控制策略搭建了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，在此，僅貼出帶有功率前饋控制的模型。其中，根據(jù)文獻(xiàn)[6]的數(shù)學(xué)模型，搭建了光伏電池的仿真模型，系統(tǒng)模型中的MPPT環(huán)節(jié)，采用使用較為廣泛的擾動(dòng)觀測(cè)法[7-11]，通過(guò)對(duì)擾動(dòng)步長(zhǎng)的合理選擇，達(dá)到跟蹤速度與穩(wěn)態(tài)精度的平衡。系統(tǒng)仿真如圖5所示。部分仿真參數(shù)：電網(wǎng)峰值55 V，頻率50 Hz；直流母線電壓參考值為100 V。仿真時(shí)間2 s，開(kāi)始工作在標(biāo)準(zhǔn)情況下（光照強(qiáng)度1 000 W/m2，溫度25 ℃），在1 s時(shí)刻，光照強(qiáng)度由1 000 W/m2降到600 W/m2。

圖5 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Simulation model of the PV grid-connected system with input power feed-forward

2.2 波形分析

圖6 電壓前饋控制直流母線電壓波形Fig.6 The waveform of the DC bus voltage with voltage feed-forward

圖8 電壓前饋控制并網(wǎng)電流波形Fig.8 The waveform of output grid-connected current with voltage feed-forward

由圖6所示，電網(wǎng)電壓前饋控制的直流母線電壓最低下探到96.60 V，并在1.34 s才基本達(dá)到新的穩(wěn)定，誤差在±0.25 V以內(nèi)；而由圖7所示功率前饋控制的直流母線電壓最低僅下探到98.25 V，并很快在1.32 s基本實(shí)現(xiàn)新的平衡，誤差在±0.25 V以內(nèi)。圖8和圖9表明，輸入功率突變時(shí)，電壓前饋控制的并網(wǎng)電流需要經(jīng)過(guò)0.42 s才趨于穩(wěn)定，而功率前饋控制的并網(wǎng)電流在0.36 s后即趨于穩(wěn)定。本仿真對(duì)兩種控制策略的差異僅做示意性驗(yàn)證，下一步將在硬件并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中作進(jìn)一步比較。仿真結(jié)果表明，功率前饋的雙閉環(huán)控制較電壓前饋的雙閉環(huán)控制，具有更穩(wěn)定的直流母線電壓，以及更優(yōu)越的電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖7 功率前饋控制直流母線電壓Fig.7 The waveform of the DC bus voltage with input power feed-forward

圖9 功率前饋控制并網(wǎng)電流波形Fig.9 The waveform of output grid-connected current with input power feed-forward

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制策略，并將帶有電網(wǎng)電壓前饋的雙閉環(huán)控制與帶有功率前饋的雙閉環(huán)控制做了比較分析，建立了仿真模型。仿真結(jié)果表明，帶有功率前饋的雙閉環(huán)控制策略能夠更快地響應(yīng)光伏輸入功率的變化，減少并網(wǎng)電流的調(diào)節(jié)時(shí)間，保持直流母線電壓穩(wěn)定在較高的水準(zhǔn)，具有更優(yōu)越的動(dòng)態(tài)性能。

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