王青林，陳宏濤（遼寧省交通高等專科學(xué)校，沈陽　110122）

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器瞬時(shí)值控制方案的仿真研究

王青林，陳宏濤
（遼寧省交通高等?？茖W(xué)校，沈陽110122）

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器輸出波形控制是關(guān)鍵技術(shù)，本文介紹了兩種瞬時(shí)值控制的電壓電流雙閉環(huán)SPWM逆變器方案，一種基于電感電流反饋，另一種基于電容電流反饋。對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了較詳細(xì)的理論分析，并建立了數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上利用MATLAB/SIMULINK搭建了該系統(tǒng)的仿真模型，并在該仿真模型上進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果驗(yàn)證了采用基于電容電流反饋的雙環(huán)瞬時(shí)值控制的SPWM逆變器具有波形正弦度好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、控制精度高和適應(yīng)負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

電力電子；逆變器；瞬時(shí)值控制；電容電流反饋；輸出電壓環(huán)

隨著傳統(tǒng)的石化能源存量日益減少和人類渴求低碳環(huán)保的生存環(huán)境，可再生能源的研究和使用提上日程，如風(fēng)能、太陽能等資源。具有存量大、清潔等特點(diǎn)的太陽能備受關(guān)注，成為最具有潛力應(yīng)用的新能源之一。光伏發(fā)電具有免維護(hù)、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但光伏發(fā)電系統(tǒng)存在一些不足，最突出的就是發(fā)電效率低（9%～16%），且光伏電池的輸出功率與光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等因素有關(guān)［1］。為適應(yīng)各種不同性質(zhì)負(fù)載的要求和與電網(wǎng)的同步，光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器輸出波形要求是同頻、同幅值、同相位的波形，當(dāng)前常用的有電壓瞬時(shí)值反饋、無差拍控制［2］和重復(fù)控制［3］等方案，但都是單閉環(huán)控制技術(shù)。因此這些控制方案只能解決一部分問題，實(shí)際應(yīng)用中使得系統(tǒng)有更好的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能，一般采用雙閉環(huán)瞬時(shí)值控制方案，即采用電感電流反饋的雙閉環(huán)控制和采用電容電流反饋的雙閉環(huán)控制［4］。采用電感電流反饋的雙閉環(huán)控制具有較強(qiáng)的抗短路能力，負(fù)載適應(yīng)能力差，調(diào)節(jié)特性差；而電容電流反饋的雙閉環(huán)控制負(fù)載匹配性強(qiáng)，控制精度高。

1　單相逆變器狀態(tài)模型

本文采用一種具有固定開關(guān)頻率的瞬時(shí)值控制技術(shù)，其主要控制思路是：電壓基準(zhǔn)值與輸出反饋電壓經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器（PI）處理后作為控制電流的基準(zhǔn)，電流基準(zhǔn)和反饋電流的差經(jīng)過比例放大后與三角載波交截，導(dǎo)出正弦脈寬調(diào)制（SPWM）信號(hào)來控制功率器件的關(guān)斷與導(dǎo)通，以確保輸出電壓波形穩(wěn)定性。

圖1是雙閉環(huán)瞬時(shí)值控制SPWM逆變器原理框圖。其中，取至電感電流iL就是電感電流內(nèi)環(huán)反饋；

取至電容電流iC就是電容電流內(nèi)環(huán)反饋。

根據(jù)分析可知，對(duì)SPWM逆變器進(jìn)行線性化處理后得到如圖2所示的等效模型。

2　系統(tǒng)性能分析

由于電網(wǎng)中的負(fù)荷是多變的不確定的，導(dǎo)致逆變器的負(fù)載也是變動(dòng)的，這樣可以把負(fù)載電流io可看作是對(duì)電容電流環(huán)的擾動(dòng)輸入。因此在分析系統(tǒng)開環(huán)特性時(shí)，io及Δud影響很小，由圖2，考慮到iL=io+iC可以得到電感電流反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

其中：A1=KikPWMKPIτPI；A0=KikPWM；

B0=KiKvfkPWMKlf是電感電流反饋系數(shù)

下面是采用濾波電容電流反饋的閉環(huán)傳遞函數(shù)：

其中：A1；A0；B3；B0與式（1）相同；

Kcf是電容電流反饋系數(shù)。

2.1穩(wěn)定性分析

設(shè)K1f=Kcf=Kif

對(duì)于式（1）、（2）式根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)可知電容電流反饋在穩(wěn)定方面較電感電流反饋要求高點(diǎn)。

2.2系統(tǒng)外特性分析

設(shè)逆變器帶負(fù)載R時(shí)的靜態(tài)誤差定義為：

由上式可知δ越大系統(tǒng)外特性越軟，即τPI越大濾波電容C越大，則Kδ越小δ越大外特性越軟，因此采用電容電流反饋時(shí)的外特性比采用電感電流反饋的硬。

2.3電流誤差變化率與開關(guān)頻率的分析

電流跟蹤速度是由電流誤差變化率表征，鑒于固定開關(guān)頻率的電流瞬時(shí)值控制，由電流誤差作為調(diào)制波與三角載波進(jìn)行交截，并且要求三角波斜率大于電流誤差變化率，否則就會(huì)發(fā)生重復(fù)交截現(xiàn)象，這樣開關(guān)失控因此必須避免重復(fù)交截現(xiàn)象。對(duì)于電容電流反饋而言則有：當(dāng)Ki過大時(shí)容易發(fā)生多次相交現(xiàn)象，故Ki不能取得過大。

電容電流只反映輸出電壓的變化，其上的電流是正弦波，能有效減小諧波誤差環(huán)流，那么采用電容電流反饋的系統(tǒng)具有更好的負(fù)載適應(yīng)能力。

3　仿真驗(yàn)證

本文利用MATLAB/SIMULIK軟件工具建立系統(tǒng)仿真模型，仿真用參數(shù)：開關(guān)頻率：fs=10kHz，UDC=400V，Kvf=0.05，Kif=0.15，濾波電感L=1.5mH，濾波電容C=30μF。在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置一樣的情況下，采用電感電流和電容電流做為反饋量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真波形如下：圖3是電感電流反饋控制系統(tǒng)突加阻性負(fù)載（t=0.02s）電壓電流波形圖，圖4是電感電流反饋控制系統(tǒng)帶非線性負(fù)載的仿真波形圖，圖5是電容電流反饋控制系統(tǒng)突加阻性負(fù)載（t=0.02s）電壓電流仿真波形圖，圖6是電容電流反饋控制系統(tǒng)帶非線性類負(fù)載仿真波形。

通過上面的仿真波形，可以從圖3與圖5的比較可以看出同樣的系統(tǒng)參數(shù)情況下，采用電容電流反饋控制系統(tǒng)的外特性硬，從圖4與圖6的比較可以得出在負(fù)載為非線性整流負(fù)載時(shí)采用電感電流反饋控制時(shí)負(fù)載電壓電流畸變很大電壓降落也較大，而采用電容電流反饋控制時(shí)電壓波形正弦度好，降落小負(fù)載電流畸變也較采用電感電流反饋控制小。

4　結(jié)論

本文通過選取反饋量不同的瞬時(shí)值控制中研究給出了兩種控制方案的開關(guān)頻率，穩(wěn)定性外特性非線性負(fù)載分析的定量關(guān)系式得出電容電流反饋外特性硬，非線性負(fù)載能力強(qiáng)是綜合性能較優(yōu)的瞬時(shí)值控制方案，由于電容電流反饋技術(shù)方案能夠反映負(fù)載電壓的變化率，所以電容電流反饋技術(shù)方案具有更好的適應(yīng)非線性負(fù)載的能力，是綜合性能較優(yōu)的電流瞬時(shí)值控制方案。

［1］高厚磊，田佳等.能源開發(fā)新技術(shù)—分布式發(fā)電［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工程版，2009，39（05）：107-108.

［2］Guo W N，Duan S X，Sun X J，et al.A modified deadbeat control for single-phase voltage-source PWM inverters based on asymmetric regular sample［C］.IEEE PSEC，2001（02）：962-967.

［3］孫雪娟，王荊江，彭力等.基于內(nèi)模原理的三相電壓源逆變?cè)吹牟ㄐ慰刂萍夹g(shù)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（07）：67-70.

［4］Wu H Y，Dong L，Zhang D H，et.al.A current-mode control technique with instantaneous inductor-current feedback for UPS inverter［C］.IEEE-APEC’99，1999：951-957.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.148

王青林（1975-），男，山西大同人，碩士，主要從事電力傳動(dòng)方面的應(yīng)用。