葛笑寒

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，河南三門峽472000）

0 引言

光伏技術(shù)成為新能源研究領(lǐng)域的焦點[1]。光伏系統(tǒng)要始終保持在最大功率點向電網(wǎng)提供電流。常用擾動觀察法可以使面板的功率最大化[2]，但常規(guī)擾動法易出現(xiàn)震蕩和誤判；智能跟蹤算法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊邏輯法等[3]，但方法較為復(fù)雜。

光伏逆變器并網(wǎng)運行，采用電流加權(quán)控制的LCL濾波技術(shù)能夠快速響應(yīng)消除諧波[4]，但對參數(shù)變化敏感。逆變輸出需要跟蹤電網(wǎng)的變化，鎖相PLL技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)輸出和電網(wǎng)的同步[5]，但是計算復(fù)雜。因此，考慮用變步長的擾動觀察法討論最大功率跟蹤，用電容電流反饋的有源阻尼法進行控制策略分析，用基于二階積分的鎖相技術(shù)對輸出進行跟蹤。

1 光伏逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)主要由光伏陣列、DC-DC變換器、有源逆變器及驅(qū)動電路構(gòu)成。DC-DC接收光伏板的電流電壓信號，經(jīng)過雙直流變換器，輸出交流電信號，最后并網(wǎng)運行?？刂破鞑捎肕PPT算法、鎖相技術(shù)等產(chǎn)生PWM脈沖信號，用來驅(qū)動主電路工作。并且保障直流母線電壓恒定，輸出交流電流電壓能夠和電網(wǎng)電壓電流同步。

2 光伏逆變系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 MPPT技術(shù)

圖1 光伏逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)電路理論，當(dāng)光伏系統(tǒng)的負(fù)載阻抗和電源阻抗相等時，有最大輸出功率，因此MPPT控制就是不斷調(diào)整負(fù)載阻抗，使其跟蹤輸出阻抗，進而實現(xiàn)最大功率傳輸。系統(tǒng)采集光伏板的電壓和電流信號，MPPT計算光伏板的最大功率，直流變換器的控制器G（S）保證光伏板的輸出電壓始終跟蹤MPPT的輸出電壓。從而使得光伏系統(tǒng)始終工作最大功率點。光伏控制策略主要有電導(dǎo)增量法和擾動觀察法等。基于最優(yōu)梯度的觀察法的電壓擾動步長能夠跟隨電池的伏安曲線的斜率自動調(diào)整，會隨著最大功率點的的距離增加而增加。

假設(shè)光伏系統(tǒng)的環(huán)境恒定，則MPPT控制最優(yōu)梯度工作流程如圖2所示，設(shè)置系統(tǒng)的擾動系數(shù)及初始變化率，計算當(dāng)前光伏電池的功率及梯度。然后設(shè)置下個時刻的輸出電壓參考值，重復(fù)這兩個過程，直至找到最大功率點?？刂破骺刂乒夥骞ぷ髟谠摴ぷ鼽c。

圖2 MPPT工作流程

2.2 逆變器電流回路控制

為消除逆變諧波，在其輸出側(cè)有一個LCL濾波器，該濾波器就有好的高頻衰減能力[6]。如圖3所示，這里Vi是逆變器輸出電壓，Vg是電網(wǎng)電壓。這假設(shè)電感電流iL的變化對電網(wǎng)電壓Vg沒有影響。也就是說，這是一個剛性網(wǎng)格系統(tǒng)。這里iL是主電感（逆變器側(cè)電感）中的電流。

圖3 LCL濾波控制器結(jié)構(gòu)

假設(shè)流過濾波電容器的電流iC與電感器電流iL相比可以忽略不計，假設(shè)電流環(huán)控制器設(shè)計成使得電網(wǎng)頻率下的電流環(huán)增益高的情況下使用反饋線性化方案。因此，與逆變器電感電流IL的動態(tài)特性相比，VLine可以作為直流參數(shù)，即電流環(huán)交叉頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率。根據(jù)這個假設(shè)，并把電流控制器Gc添加到功率圖中。圖4表明，電流環(huán)功率級輸入是Ui，它控制電感器電流IL。當(dāng)輸入Ui由電流環(huán)路控制器控制時，使得電網(wǎng)頻率下的環(huán)路增益較高。

圖4中Ks是電流反饋增益。因此，控制環(huán)的環(huán)路增益?zhèn)鬟f函數(shù)是：φ()s=Gc(s)KsGp。

圖4 電流控制回路結(jié)構(gòu)

2.3 電網(wǎng)同步鎖相環(huán)節(jié)

逆變器采用鎖相環(huán)（PLL）使其輸出電流與電網(wǎng)電壓同步[7]。鎖相環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，該鎖相環(huán)由鑒相器（PD），PI控制器和電壓控制振蕩器（VCO）三個單元組成。當(dāng)鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時，PD的兩輸入信號頻率一致且有一定的相位差，如果它們的頻率不同，則PD會產(chǎn)生一個輸出信號，該信號經(jīng)過PI控制器最終作用在VCO的輸入端，VCO的振蕩頻率發(fā)生變化，實現(xiàn)對輸入信號頻率的自動跟蹤，輸出相位out與輸入信號相位之間保持固定的差值，此時環(huán)路處于穩(wěn)定狀態(tài)。

鑒相器（PD）由正交信號發(fā)生器（QSG）和Park變換器組成，其輸出可以用以下方程表示：

式中：Vin是為輸入信號基波的幅值；θin是為基波的相位；θout是為輸出相位。系統(tǒng)在穩(wěn)定時，輸出相位跟蹤輸入型號的相位，即偏差量為零。由式（1）通過Park變換，能夠求解出輸入和輸出的相位差，實現(xiàn)相位鑒別。

根據(jù)控制理論，鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

圖5 電網(wǎng)同步鎖相控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將該傳遞函數(shù)和二階系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)進行比較：

圖6 鎖相環(huán)仿真波形

3 結(jié)論

光伏電源的效率和并網(wǎng)運行的穩(wěn)定性尤為重要。根據(jù)常規(guī)雙直流變換的光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)，對MPPT、鎖相環(huán)節(jié)及LCL濾波控制等展開研究，研究了MPPT的控制策略及流程，對LCL電路的結(jié)構(gòu)和控制原理進行分析；對鎖相環(huán)節(jié)控制環(huán)節(jié)分析，并給出了傳遞函數(shù)，也仿真了波形。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率點跟蹤，且具有較好的穩(wěn)定裕度和動態(tài)響應(yīng)能力，可以為光伏逆變系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。