國網(wǎng)浙江海鹽縣供電有限公司 吳桂萍 徐張健 孫 帥 沈哲蘋 陸建琴

1 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口的快速膨脹，化石燃料的消耗日益增多，由此帶來的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)已成為世界各國的難題。因此，開發(fā)和利用可再生清潔能源成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)。光伏發(fā)電技術(shù)作為一種能量來源取之不竭、用之不盡的新技術(shù)，得到了各國官員和專家的重視。并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)之間的接口設(shè)備，其控制技術(shù)是光伏發(fā)電的核心技術(shù)。本文以單相光伏并網(wǎng)逆變器的控制技術(shù)為研究對(duì)象，采用了電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制策略，并引入電壓前饋解耦改善了系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性能。

電壓控制采用PI控制，這是因?yàn)橹绷髂妇€電壓Udc如果太低，無法滿足逆變器的直、交流的變化關(guān)系，而如果太高，則電容和開關(guān)管容易損壞。所以，系統(tǒng)中需要加入電壓外環(huán)PI控制來穩(wěn)定直流母線電壓。

電流控制采用PR控制。該控制器在基波頻率處增益為無窮大，在非基頻處增益很小。因此，PR控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)基頻參考正弦電流實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤。

整個(gè)單相光伏并網(wǎng)逆變器的原理框圖如圖1所示。圖1中PLL為鎖相環(huán)(Phase Lock Loop)。

圖1 單相并網(wǎng)逆變器原理框圖

圖2 單相并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖

2 并網(wǎng)逆變器工作原理

2.1 并網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

單相光伏并網(wǎng)逆變器的硬件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中L為交流輸出濾波電感，C為與光伏電池并聯(lián)的穩(wěn)壓電容；V1～V4是帶有反并聯(lián)二極管的主開關(guān)管IGBT；R為電感L和線路的等效串聯(lián)電阻；Udc為直流輸入電壓，即光伏電池的輸出電壓值；us是逆變器輸出電壓；ugrid為電網(wǎng)電壓；igrid為并網(wǎng)電流。

由圖2可得到單相并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型，如圖3所示。為了便于分析，將逆變環(huán)節(jié)等效為一個(gè)增益環(huán)節(jié)K。圖3中，G(s)電流控制器傳遞函數(shù)，Iref為并網(wǎng)電流正弦參考信號(hào)。

圖3 并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)模型

2.2 并網(wǎng)逆變器電流控制策略

根據(jù)圖3可推出并網(wǎng)電流的傳函如式(1)所示：

其中電流控制器采用PR控制器[1]且：

由式(1)可以看出，并網(wǎng)電流與參考電流和電網(wǎng)電壓有關(guān)。若采用PI控制，因?yàn)镻I控制器在基波頻率ω0處的增益是有限的，由式(1)可知，輸出電流不等于參考電流，系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差。而采用PR控制，則PR控制器在基波頻率ω0處的增益為：

由式(3)可知增益趨于無窮大，所以式(1)可以簡(jiǎn)化為Igrid=Iref。因此PR控制器可以實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差追蹤參考電流信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于PR控制實(shí)現(xiàn)有難度，通常采用容易實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)PR控制器，其傳遞函數(shù)如式(4)[2]：

其中kp為比例增益，kr為積分增益，ωc為截止頻率；ω0為諧振頻率，在本文為電網(wǎng)電壓角頻率。

本文中設(shè)置kp=10，kr=50，ωc=2.5rad/s，ω0=314rad/s。

2.3 電壓前饋控制

由式(1)可知，系統(tǒng)還存在來自電網(wǎng)電壓Ugrid的擾動(dòng)，電網(wǎng)電壓的畸變或波動(dòng)會(huì)影響并網(wǎng)電流質(zhì)量。

為了進(jìn)一步改善并網(wǎng)電流的質(zhì)量，本文引入了電網(wǎng)電壓前饋控制[3]?？刂平Y(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)電壓前饋控制原理圖

根據(jù)圖4得到并網(wǎng)逆變器輸出電流的傳遞函數(shù)為：

由式(5)可得并網(wǎng)輸出電流只與參考電流有關(guān)，電網(wǎng)電壓對(duì)并網(wǎng)電流的影響被完全消除。

4 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文控制策略的可行性，在Simulink中建立單相光伏本文逆變器仿真模型。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖5 并網(wǎng)電流波形圖

圖6 并網(wǎng)電流傅里葉分析

圖5和圖6所示為并網(wǎng)電流波形圖及其傅里葉分析，其中并網(wǎng)電流為方便觀察按5倍比例放大。由圖可知，并網(wǎng)電流正弦度良好，與電網(wǎng)電壓同頻率同相位，總諧波畸變率THD=3.95%，符合THD<5%的國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖7所示為電網(wǎng)電壓突變時(shí)的并網(wǎng)電流波形。仿真時(shí)設(shè)置電網(wǎng)電壓在0.2s時(shí)幅值由311V突變?yōu)?00V，并網(wǎng)電流無較大波動(dòng)，可以看出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能良好，抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)能力較強(qiáng)。

圖7 電網(wǎng)電壓突變時(shí)并網(wǎng)電流波形

4 結(jié)論

本文以單相光伏本文逆變器為研究對(duì)象，研究了基于PI電壓控制和PR電流控制的控制策略，并引入電網(wǎng)電壓前饋控制策略，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓抗擾動(dòng)能力。最后通過Simulink仿真驗(yàn)證了控制策略的正確性和有效性。

[1]王杰,亓迎川,朱子梁,潘宇航.PR調(diào)節(jié)器在SPWM逆變器中的應(yīng)用[J].空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào),2009,04:278-280.

[2]趙清林,郭小強(qiáng),鄔偉揚(yáng).單相逆變器并網(wǎng)控制技術(shù)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,16:60-64.

[3]毛艷芳,等.單相逆變器雙環(huán)控制改進(jìn)策略研究.電測(cè)與儀表,2014(08):69-74