易映萍，羅 海，胡四全

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小功率光伏并網(wǎng)逆變器控制策略的研究

易映萍1，羅 海1，胡四全2

(1.上海理工大學(xué)，上海 200093；2.許繼柔性輸電系統(tǒng)公司，河南 許昌461000)

為減少開(kāi)關(guān)頻率引起的電流諧波和實(shí)現(xiàn)電氣隔離，采用帶T型濾波器和工頻隔離變壓器的并網(wǎng)逆變器拓?fù)?。針?duì)傳統(tǒng)電流SPWM控制響應(yīng)速度慢和單純采用電流PI控制不能消除電網(wǎng)擾動(dòng)對(duì)并網(wǎng)電流影響的缺點(diǎn)，提出了電流PI和電網(wǎng)電壓前饋相結(jié)合的SPWM電流瞬時(shí)值跟蹤控制。通過(guò)對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器控制原理的理論分析，設(shè)計(jì)了并網(wǎng)逆變器控制模型，并推導(dǎo)出各個(gè)控制環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型，最后進(jìn)行了電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)Matlab仿真結(jié)果分析，表明該種控制策略是可行的。

T型濾波器；工頻隔離變壓器；電流PI；電壓前饋；SPWM電流瞬時(shí)值跟蹤控制；Matlab

0 引言

作為光伏陣列和電網(wǎng)接口的主要設(shè)備，光伏并網(wǎng)逆變器的控制技術(shù)也成為研究的熱點(diǎn)之一[1]。為了使光伏陣列產(chǎn)生的電最大限度地饋入電網(wǎng)，并且使得系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，本文對(duì)單相光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略進(jìn)行了深入的研究。

對(duì)于光伏逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，工頻變壓器隔離型克服了無(wú)變壓器型沒(méi)有電氣隔離的缺點(diǎn)，相對(duì)于高頻變壓器隔離型設(shè)計(jì)與制作簡(jiǎn)單，并且工頻變壓器產(chǎn)品相對(duì)成熟[2]。為了盡可能減少開(kāi)關(guān)頻率引起的電流諧波，采用T型濾波器對(duì)逆變器輸出的電流進(jìn)行濾波[3-4]。鑒于此，本文采用的是帶工頻隔離變壓器和T型濾波器的兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并采用以電壓源輸入的方式。采用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在控制、節(jié)能和成本上具有一定的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于電壓源電流控制方式目前分為電流瞬時(shí)值反饋滯環(huán)控制、重復(fù)控制、無(wú)差拍控制、電流SPWM控制。電流瞬時(shí)值反饋滯環(huán)控制的功率管開(kāi)關(guān)頻率不恒定，諧波頻率也是發(fā)生變化的，這樣就增加了輸出濾波器的設(shè)計(jì)難度[5-6]。重復(fù)控制可以有效地抑制逆變器輸出電壓中的重復(fù)性擾動(dòng)，但是對(duì)外部突然的干擾起不了作用[7]。無(wú)差拍控制的控制要求高，它要求占空比必須當(dāng)前拍計(jì)算并且當(dāng)前拍輸出，否則會(huì)影響系統(tǒng)的特性，甚至破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性[8]。電流SPWM控制雖然電流響應(yīng)速度慢，但實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠[9]。為了使整個(gè)系統(tǒng)可靠易控制和提高電流響應(yīng)速度，本文在采用電流SPWM控制基礎(chǔ)上，采用SPWM電流瞬時(shí)值跟蹤控制技術(shù)。

一般光伏并網(wǎng)逆變器輸出的并網(wǎng)電流波形嚴(yán)重畸變，是由一些非線性因素造成的，其中電網(wǎng)電壓的周期性擾動(dòng)便是一個(gè)重要因素[10]。傳統(tǒng)的單純采用電流PI控制不能削弱電網(wǎng)電壓的周期性擾動(dòng)造成的并網(wǎng)電流畸變，本文引入電網(wǎng)電壓前饋控制，并和電流PI控制相結(jié)合便能解決該問(wèn)題。

本文通過(guò)對(duì)并網(wǎng)逆變器控制原理的分析，搭建控制模型，并且詳細(xì)地分析了電流受控點(diǎn)的選擇和加入電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)對(duì)并網(wǎng)電流的影響。最后通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證了該控制策略的可行性。

1 單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文所采用的電壓源輸入、帶工頻隔離變壓器和T型濾波器的兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)逆變器的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中，前級(jí)DC-DC電路是一個(gè)Boost電路，其功能是將太陽(yáng)能電池輸出的直流電壓升壓，得到后級(jí)逆變器的直流側(cè)的輸入電壓400V。對(duì)于后級(jí)DC-AC并網(wǎng)逆變器來(lái)說(shuō)，采用全橋逆變拓?fù)?，交流?cè)經(jīng)過(guò)T型濾波器濾波和工頻隔離變壓器(1:1)流入電網(wǎng)。其中T型濾波器由濾波電感、和濾波電容C構(gòu)成，表示電網(wǎng)電壓。

2 控制模型的設(shè)計(jì)

2.1 并網(wǎng)逆變器控制原理的分析

典型的并網(wǎng)控制原理是通過(guò)對(duì)逆變器輸出電流矢量的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)控制以及網(wǎng)側(cè)有功、無(wú)功的控制。并網(wǎng)逆變器交流側(cè)相關(guān)穩(wěn)態(tài)矢量的關(guān)系如圖2所示。

圖2 逆變器交流側(cè)相關(guān)穩(wěn)態(tài)矢量的關(guān)系

(2)

并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)控制的原理是：根據(jù)并網(wǎng)控制給定的電網(wǎng)電壓矢量、輸出電流矢量來(lái)計(jì)算出所需要的輸出電流矢量，然后結(jié)合式(1)、式(2)，得出并網(wǎng)逆變器交流側(cè)所需要的電壓矢量計(jì)算公式：

2.2 光伏并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)逆變器并網(wǎng)控制原理的分析，搭建光伏并網(wǎng)逆變器的控制框圖如圖3所示。

整個(gè)逆變器系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)直流母線穩(wěn)壓、鎖相和并網(wǎng)電流的控制。電壓環(huán)是將直流母線電壓參考值和直流母線電壓的誤差做電壓環(huán)PI，電壓環(huán)PI輸出量作為并網(wǎng)電流參考值幅值，其作用是實(shí)現(xiàn)直流母線穩(wěn)壓。電流環(huán)將與正弦信號(hào)的乘積做為電流參考信號(hào)(該正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字鎖相環(huán)得到)，以保證并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，電流參考信號(hào)與電流采樣值做差，誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)電流環(huán)PI。電流環(huán)PI輸出量與并網(wǎng)電壓之和通過(guò)與三角波比較，經(jīng)過(guò)PWM發(fā)生器輸出SPWM，驅(qū)動(dòng)H逆變橋，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流控制。

圖3 光伏并網(wǎng)逆變器的控制框圖

2.3 光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的分析

為達(dá)到控制系統(tǒng)的目標(biāo)，在此選擇SPWM電流瞬時(shí)值跟蹤控制技術(shù)對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行控制，該控制方式的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖4中是電流給定信號(hào)，是電流反饋點(diǎn)電流，為電網(wǎng)電壓，為采樣電路的比例系數(shù)，是PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，是逆變環(huán)節(jié)，是濾波環(huán)節(jié)，是電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)。

圖4 SPWM電流瞬時(shí)值跟蹤控制系統(tǒng)框圖

2.3.1 PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)

2.3.2 逆變環(huán)節(jié)

本系統(tǒng)中SPWM的調(diào)制方式采用的是單極性調(diào)制方式。因此，從調(diào)制器輸入到逆變器輸出的傳遞函數(shù)可表示為式(5)。當(dāng)SPWM調(diào)制環(huán)節(jié)的控制信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，逆變器輸出端口電壓要到下個(gè)周期才能發(fā)生變化。因此，PWM 控制與逆變器可看成是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，最大的時(shí)延是一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。綜合以上兩方面可將逆變環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)寫(xiě)成式(6)。

(6)

2.3.3濾波環(huán)節(jié)以及反饋點(diǎn)的選擇

式(8)中的為T(mén)型濾波器中串聯(lián)的電阻，從該式中可以看出整個(gè)受控對(duì)象為三階系統(tǒng)，控制帶寬會(huì)受到很大限制[11]。又由于逆變器輸出側(cè)電流與T型濾波器輸出側(cè)電流均可控[12]，因此本文電流反饋點(diǎn)設(shè)在逆變器輸出側(cè)，如圖3所示，此時(shí)得到T型濾波器輸出側(cè)電流對(duì)逆變器輸出側(cè)電流的傳遞函數(shù)為

(9)

圖5 對(duì)的伯德圖

所以聯(lián)合式(8)、式(9)可得本系統(tǒng)逆變器輸出電流對(duì)逆變器輸出端電壓的傳遞函數(shù)，即本設(shè)計(jì)中濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

2.3.4電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)及與不加時(shí)候的對(duì)比

在并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓對(duì)并網(wǎng)電流造成的誤差可以表示為式(11)。

加上電網(wǎng)電壓的前饋控制環(huán)節(jié)后，電壓擾動(dòng)對(duì)并網(wǎng)電流造成的誤差表示為

2.4 電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

由上面的分析可知系統(tǒng)在不加PI環(huán)節(jié)的情況下的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

為了使電流跟蹤速度快，需要較高的帶寬，通常PWM變換器的最大寬度為開(kāi)關(guān)頻率的一半，這是因?yàn)镻WM環(huán)節(jié)具有采樣保持效應(yīng)，可以認(rèn)為該環(huán)節(jié)以開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行環(huán)路信號(hào)采樣。但實(shí)際上為了對(duì)開(kāi)關(guān)頻率的噪聲有足夠的衰減，一般將帶寬設(shè)在處[13]，本文系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率，電流環(huán)帶寬設(shè)在處，即2 kHz處。

由于式(13)中雙零點(diǎn)和雙極點(diǎn)的位置很接近，故可認(rèn)為兩者可以對(duì)消，而在截止頻率處式(13)的增益為1，由此可得：

(15)

3 仿真結(jié)果

根據(jù)并網(wǎng)要求和1 kW額定輸出功率的單相兩級(jí)式的光伏逆變器技術(shù)指標(biāo)，計(jì)算和設(shè)定相關(guān)仿真參數(shù)：后級(jí)逆變器直流側(cè)輸入電壓；文獻(xiàn)[4]提供了T型濾波器相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，算出T型濾波器中、、、；變壓器變比1:1；電網(wǎng)電壓有效值220V AC 50 Hz；三角載波頻率；電流環(huán)PI控制參數(shù)，；鑒于本文只對(duì)逆變器輸出端并網(wǎng)控制技術(shù)的研究，不做直流母線穩(wěn)壓，所以不做電壓外環(huán)，只需要設(shè)定電流參考信號(hào)幅值，當(dāng)設(shè)定時(shí)就可以滿足額定需求。

最后根據(jù)上述方案和仿真參數(shù)在Matlab的Simulink環(huán)境下搭建仿真模型。在額定工作狀態(tài)下，得到的電網(wǎng)電壓波形和并網(wǎng)電流波形如圖6所示。此時(shí)，取并網(wǎng)電流0.2 s開(kāi)始的5個(gè)周期的波形進(jìn)行諧波分析，分析結(jié)果如圖7所示。

圖 6 電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流的仿真波形

圖7 并網(wǎng)電流諧波分析

由圖6、圖7可見(jiàn)，引入電網(wǎng)電壓前饋，并和電流PI相結(jié)合，采用SPWM瞬時(shí)值跟蹤控制，可以得到較高正弦度的并網(wǎng)電流波形，而且也能很好地做到電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流同頻同相；另外對(duì)并網(wǎng)電流諧波也有很好的抑制作用，從圖7中可以看出并網(wǎng)電流的=1.49%，質(zhì)量較好，滿足并網(wǎng)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于帶T型濾波器和工頻隔離變壓器的并網(wǎng)逆變器拓?fù)?，采用電流PI控制和電網(wǎng)電壓前饋控制相結(jié)合的SPWM電流瞬時(shí)值跟蹤控制策略。仿真結(jié)果表明該控制策略能有效地減少并網(wǎng)電流諧波、實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)并網(wǎng)。

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(編輯 張愛(ài)琴)

Study on control scheme based on low-power photovoltaic grid-connected inverter

YI Yingping1, LUO Hai1, HU Siquan2

(1. University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2. Xuji Flexible Transmission System Corporation, Xuchang 461000, China)

In order to reduce line-side current harmonic caused by switching frequency and achieve electrical isolation, a grid-connected inverter with a T filter and an isolation transformer is used. To make up for the shortcomings of independent PI control of current and low response rate of traditional current-SPWM control, the method of current- SPWM control of tracking current momentary value with PI control of current and voltage feed-forward is presented. With the analysis of control principle of grid-connected inverter, control model of the grid-connected inverter is designed, transfer functions of every control linkarederived and PI parameters are designed. At last, the Matlab simulation results show that the control strategy is feasible.

This work is supported by National High-tech R & D Program of China (863 Program)?(No. 2012AA050206).

T filter; isolation transformer; PI control of current; voltage feed-forward; current-SPWM control; Matlab

10.7667/PSPC150731

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AA050206)

2015-05-04；

2015-06-17

易映萍(1967-)，女，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)；

羅 海(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。E-mail: math_nice@163.com

胡四全(1976-)，男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橹绷鬏旊娤到y(tǒng)控制。