王要強　謝海霞　曹　沖　王曉亮

（鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南　鄭州　450001）

離網(wǎng)型三相光伏逆變器控制策略研究

王要強謝海霞曹沖王曉亮

（鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州450001）

以離網(wǎng)型三相光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，研究其輸出逆變環(huán)節(jié)的拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略。逆變器主電路采用三相半橋拓撲，輸出濾波器取三相星形LC結(jié)構(gòu)，控制策略以輸出電壓峰值作為閉環(huán)變量。仿真和實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)三相輸出電壓變化平滑且穩(wěn)定對稱，其幅值和頻率能夠準(zhǔn)確跟蹤其給定值。

光伏發(fā)電；離網(wǎng)型；逆變器；控制策略

隨著煤、石油等化石能源的日漸枯竭與人類生存環(huán)境的不斷惡化，太陽能、風(fēng)能等可再生自然資源的開發(fā)利用近年來得到了國內(nèi)外的普遍重視［1-3］，許多國家已作出大規(guī)模推廣太陽能等可再生能源開發(fā)利用的決策和規(guī)劃［4-6］。

光伏發(fā)電是太陽能開發(fā)利用的主要形式之一［7］，光伏發(fā)電系統(tǒng)按照是否與電網(wǎng)連接可以分為并網(wǎng)型［8-9］和離網(wǎng)型［10-11］兩大類。其中，離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)可以獨立運行，為負載提供穩(wěn)定的直、交流電壓。在距離電網(wǎng)較遠的偏僻山區(qū)、無電區(qū)、海島、通訊基站和路燈等場所，離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

電力電子功率變換單元作為光伏電池陣列與用戶負載的接口單元，是實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心［12-13］。其中，逆變環(huán)節(jié)連接系統(tǒng)的直流母線和交流母線，實現(xiàn)直流-交流變換，并且逆變器作為直接面對用戶負載的輸出單元，其工作性能直接會影響到系統(tǒng)的供電質(zhì)量，是發(fā)電系統(tǒng)功率變換的關(guān)鍵。

本文以離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出逆變單元為研究對象，首先分析其電路拓撲與數(shù)學(xué)模型，然后研究光伏逆變器的控制策略，最后通過仿真和實驗驗證研究內(nèi)容的正確性與有效性。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由光伏陣列、升壓斬波器、充放電變換器、儲能單元和逆變器等部分組成。光伏陣列由太陽能電池組件構(gòu)成；升壓斬波器一般由Boost電路構(gòu)成，完成最大功率跟蹤和升壓功能；充放電變換器為雙向變換器，和儲能單元合起來完成能量緩沖。

圖1　離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

逆變器連接系統(tǒng)的直流母線和交流母線，實現(xiàn)DC/ AC變換，并且作為直接面對用戶負載的輸出單元，其工作性能直接影響到系統(tǒng)的供電質(zhì)量，是系統(tǒng)功率變換的關(guān)鍵。逆變環(huán)節(jié)一般采用半橋電路拓撲，交流輸出側(cè)通過濾波器與三相負載相連，如圖2所示。三相半橋拓撲的功率器件由IGBT（V1-V6）和與之反并聯(lián)的電力二極管（VD1-VD6）組成。

圖2　三相電壓型逆變拓撲

圖3為輸出濾波環(huán)節(jié)的示意圖，采用LC低通濾波器，由三相平波電感和濾波電容通過星形接法構(gòu)成，連接逆變器三相橋路輸出端與三相負載端。圖中，uU、uV、uW表示逆變器輸出電壓；ua、ub、uc表示負載端電壓，也為系統(tǒng)輸出電壓。

圖3　三相LC輸出濾波器

2　數(shù)學(xué)模擬

假定圖2所示的逆變器主電路三相平衡，濾波電感均為L，濾波電容均為C，功率器件和濾波器電感的寄生電阻等效為r。由電壓、電流基爾霍夫定律（KVL、KCL），可以得到三相光伏逆變器的電壓方程和電流方程分別為：

式（1）（2）中，ia、ib、ic分別為流過三相濾波電感的電流，ioa、iob、ioc分別為流過三相負載的電流。

由公式（1）（2）可以看出，逆變器交流側(cè)電壓、電流三相之間沒有耦合關(guān)系，是相互獨立的。因此，這里只繪制出三相靜止坐標(biāo)系下電壓型逆變器的a相電路模型框圖，如圖4所示。由此可得，在控制策略上，可以對三相逆變器的三相輸出電壓分別采用三相相互獨立的控制策略。

圖4　逆變器a相模型框圖

3　控制策略

離網(wǎng)型光伏逆變器三相輸出電壓為交流信號，直接對交流信號進行控制很難實現(xiàn)輸出幅值、相位的無靜差控制。在類似應(yīng)用場合通常采用增加硬件有效值計算模塊的方法，對三相輸出電壓有效值進行閉環(huán)控制。在此，為節(jié)約系統(tǒng)成本，降低硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)可靠性，通過坐標(biāo)變換，采用純軟件的方法計算輸出電壓的峰值，并以交流輸出電壓峰值作為外環(huán)調(diào)節(jié)變量進行閉環(huán)控制。

圖5為逆變器閉環(huán)控制策略的原理結(jié)構(gòu)圖，包括輸出電壓采集電路、電感電流采集電路、輸出電壓峰值計算模塊、電壓峰值PI閉環(huán)調(diào)節(jié)器、交流電壓給定生成模塊以及PWM波形生成模塊和開關(guān)管驅(qū)動模塊。在實際工作中，采集輸出電壓，經(jīng)過峰值計算模塊，獲得實際的

輸出電壓峰值，再與給定的峰值做差，其結(jié)果經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后傳送到三相交流輸出電壓給定信號生成模塊。在這一模塊中，PI調(diào)節(jié)器的輸出信號UPIO與三相標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號相乘，其結(jié)果再與電感壓降jω1Li相減，如公式（3）所示，獲得逆變器a相輸出電壓的調(diào)制波信號u*cona。其他兩相輸出電壓的參考信號可以通過公式（3）類比得出。

式（3）中，ω1表示輸出電壓的角頻率。

PWM波形生成電路中，逆變器輸出電壓調(diào)制波信號u*con與三角波相比較，其輸出取反后，經(jīng)過開關(guān)管驅(qū)動電路傳送給逆變器的對應(yīng)的功率開關(guān)管，用于控制其導(dǎo)通與關(guān)斷。

圖5　逆變器閉環(huán)控制策略原理框圖

圖6　PI調(diào)節(jié)器原理框圖

圖6為電壓峰值PI閉環(huán)調(diào)節(jié)器的原理框圖，參考給定信號u*（t）與采集到的反饋信號u（t）做差后，得到誤差信號e（t），然后經(jīng)比例、積分環(huán)節(jié)后，作用到被控對象上，從而得到輸出信號u（t）。

輸出信號u（t）與誤差信號e（t）之間的表達式為

式（4）中，Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；e（t）為變量給定值與反饋值的偏差，有：

為避免電流調(diào)節(jié)器進入飽和狀態(tài)，保證調(diào)節(jié)器的線性調(diào)節(jié)作用，在此，在傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入退飽和函數(shù)，以改善電壓峰值調(diào)節(jié)器工作過程的線性度，加快系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

取退飽和函數(shù)sat（x）為：

式（6）中，k、r為正實數(shù)；x取為公式（4）傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器，即有：

從而得到改進后的PI調(diào)節(jié)器表達式為：

4　仿真結(jié)果與分析

為驗證離網(wǎng)型三相光伏逆變控制策略的正確性與有效性，在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下搭建系統(tǒng)仿真模型，進行仿真研究。仿真參數(shù)如表1所示。

表1　仿真參數(shù)

圖7為按照圖5所示的控制策略，得到的三相光伏逆變器輸出電壓測量值的仿真波形。由圖7可以看出，系統(tǒng)三相輸出電壓變化平滑，平衡穩(wěn)定，其幅值和頻率能夠跟蹤其給定值。

以TI數(shù)字信號處理器TMS320F2812為主控芯片，三菱功率模塊PM75RLA120為橋路單元，其他參數(shù)與表1所示的仿真參數(shù)保持一致，搭建離網(wǎng)型三相光伏逆變器實驗平臺，進行實驗研究。圖8為得到的系統(tǒng)三相輸出電壓實驗波形，由圖8可以看出，三相電壓穩(wěn)定對稱，能夠跟蹤其給定值。

5　結(jié)論

本文以離網(wǎng)型三相光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，主要研究了其輸出逆變環(huán)節(jié)的拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略，并對研究內(nèi)容的正確性和有效性進行了仿真和實驗驗證。結(jié)果表明，系統(tǒng)三相輸出電壓穩(wěn)定平衡，且其幅值和頻率能夠準(zhǔn)確跟蹤其給定值。研究結(jié)果對于離網(wǎng)型光伏發(fā)電領(lǐng)域的理論發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義，也可以為其工程應(yīng)用提供借鑒和參考。

圖7　系統(tǒng)三相輸出電壓仿真波形

圖8　系統(tǒng)三相輸出電壓實驗波形

［1］Yeow-Khiang Chia，Sumei Sun，Rui Zhang.Energy Cooperation in Cellular Networks with Renewable Powered Base Stations ［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2014（12）：6996-7010.

［2］韓芳.我國可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望［J］.可再生能源，2010（4）：137-140.

［3］徐良才，郭英海，公衍偉，等.淺談中國主要能源利用現(xiàn)狀及未來能源發(fā)展趨勢［J］.能源技術(shù)與管理，2010（3）：155-157.

［4］Ingeborg Graabak，Bjorn H.Bakken.Scenarios for integration of large shares of renewable energy in Europe up to 2050［C］// 2011 IEEE Trondheim PowerTech，2011：1-8.

［5］Jun-ling Han.Status and improvement of China's renewable energy legislation［C］//2010 China International Conference on Electricity Distribution，2010：1-6.

［6］Hengxu Zhang，Ke Xu，Yutian Liu.Potential role of largescale renewable energy in the environment improvement of China ［C］//2014 IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference，2014：1-4.

［7］王要強，王思謹，蔣建東，等.光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率特性分析及其平滑控制研究［J］.太陽能學(xué)報，2016（4）：847-852.

［8］周玉斐，黃文新，趙萍.三相耦合電感單級升壓逆變器非隔離光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2015（6）：190-199.

［9］Yaoqiang Wang，Meiling Zhang，Xian Cheng.An Improved MPPT Algorithm for PV Generation Applications Based on P-U Curve Reconstitution［J］.Journal of Control Science and Engineering，2016（3242069）：1-10.

［10］黨克，蔡鋮澄，嚴干貴.脈沖充電在離網(wǎng)光伏發(fā)電中的可行性研究［J］.電力電子技術(shù)，2014（4）：53-55.

［11］王立娜，周克亮，盧聞州，等.組合蓄能離網(wǎng)型自治光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化運行與配置設(shè)計［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009（17）：146-151.

［12］Piotr Biczel，Andrzej Jasinski，Jacek Lachecki.Power Electronic Devices in Modern Power Systems［C］//The International Conference on"Computer as a Tool"，2007：1586-1586.

［13］Shinzo Tamai.High power converter technologies for saving and sustaining energy［C］//IEEE 26th International Symposium on Power Semiconductor Devices&IC's，2014：12-18.

Control Strategy of Three-phase Stand-alone Photovoltaic Inverter

Wang YaoqiangXie HaixiaCao ChongWang Xiaoliang
（School of Electrical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

In this paper，three-phase stand-alone photovoltaic generation system was taken as the research object，the output inverter topology and control strategy were investigated.Three-phase half-bridge topology was adopted as the inverter main circuit，Y connected LC structure was selected in the output filter，and the output voltage peak value was chosen as the closed-loop feedback variable.Simulation and experimental results showed that，the threephase output voltages varied smoothly，keep stable and balanced，and its amplitude and frequency could track the

ignal accurately.

photovoltaic generation；stand-alone；inverter；control strategy

TM615

A

1003-5168（2016）07-0132-04

2016-06-16

國家自然科學(xué)基金（51507155）；中國博士后科學(xué)基金（2013M541990）；河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項目（152300410046）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目（14A470002）；河南省產(chǎn)學(xué)研合作項目（142107000060）；鄭州大學(xué)專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)案例項目（YJSAL201507）。

王要強（1982-），男，博士，研究方向：新能源發(fā)電、電力控制與傳動技術(shù)。