賀莉 羅丹羽 董雪峰 李翔

摘 要：光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)。因此，本文闡述了光伏逆變器的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，對(duì)目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的光伏逆變器進(jìn)行了分類(lèi)整理，并介紹了相關(guān)的控制策略。

關(guān)鍵詞：光伏逆變器;光伏發(fā)電系統(tǒng);控制策略

中圖分類(lèi)號(hào)：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）04-0149-03

The Analysis on Solar PV Inverter Control Strategy

HE Li LUO Danyu DONG Xuefeng LI Xiang

（Zhengzhou Electric Power College，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Photovoltaic inverter is a very important part of the photovoltaic power generation system. This article briefly introduced the development history and current status of photovoltaic inverters， classified and sorted the photovoltaic inverters currently appearing on the market， and introduced the control strategies for them.

Keywords： photovoltaic inverter;photovoltaic power generation system;control strategy

20世紀(jì)70年代發(fā)生的石油危機(jī)、環(huán)境污染和能源短缺等，使人們逐漸意識(shí)到單一依靠常規(guī)的化石類(lèi)能源不能滿(mǎn)足人類(lèi)對(duì)能源的需求。因此，各國(guó)紛紛開(kāi)始發(fā)展清潔能源發(fā)電，其中太陽(yáng)能發(fā)電憑借其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)得到了迅猛發(fā)展。同時(shí)，為了更好地發(fā)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電[1，2]，各國(guó)還紛紛提出了一系列對(duì)應(yīng)的扶持政策。我國(guó)地域遼闊，太陽(yáng)能資源豐富，發(fā)展太陽(yáng)能發(fā)電具有明顯優(yōu)勢(shì)[3，4]。目前，我國(guó)仍是傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)組成，主要由煤炭、石油等化石能源占主導(dǎo)地位，太陽(yáng)能發(fā)電具有廣闊的發(fā)展空間。近幾年，我國(guó)政府對(duì)光伏發(fā)電越來(lái)越重視，逐步實(shí)施和完善了上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼政策，進(jìn)一步促進(jìn)了太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的迅猛發(fā)展，使我國(guó)在太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中更具競(jìng)爭(zhēng)力。作為光伏發(fā)電系統(tǒng)核心的轉(zhuǎn)換器件，逆變器必將成為我國(guó)光伏發(fā)電市場(chǎng)的必爭(zhēng)之地和重點(diǎn)研究對(duì)象，其研發(fā)、應(yīng)用和推廣具有極其深遠(yuǎn)的意義。

1 光伏逆變器現(xiàn)階段的發(fā)展

在過(guò)去10余年的研究和發(fā)展中，全球范圍內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值平均增幅為57.1%，已躍居成為世界上增長(zhǎng)迅速的產(chǎn)業(yè)之一。作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中最核心的逆變技術(shù)，這些年也取得了快速發(fā)展。逆變控制技術(shù)的主要原理是把信號(hào)從直流變換和輸出到交流，并結(jié)合相關(guān)的調(diào)制技術(shù)。20世紀(jì)60年代，德國(guó)A.Schonung首次提出應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)。此后，正弦波PWM（SPWM）控制技術(shù)由英國(guó)的S.R.Bowes博士提出，這一創(chuàng)新是對(duì)脈寬調(diào)制技術(shù)乃至電力電子技術(shù)的革命性飛躍，也成為逆變器技術(shù)變革的理論基礎(chǔ)。新能源發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，使得國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)廣泛深入開(kāi)展光伏逆變控制器的研究，更是針對(duì)相關(guān)課題開(kāi)展了廣泛深入的研究。

早在20世紀(jì)80年代，我國(guó)已開(kāi)始在逆變器控制及其制造技術(shù)方面開(kāi)展研究開(kāi)發(fā)。在光伏市場(chǎng)需求方面，隨著國(guó)家對(duì)光伏發(fā)電的大力調(diào)制和出臺(tái)相關(guān)補(bǔ)貼政策，截至2014年底，我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量超過(guò)4GW。隨著國(guó)家大力推進(jìn)“金太陽(yáng)示范工程”以及大量的光伏并網(wǎng)補(bǔ)貼及惠民政策的落地實(shí)施，環(huán)境和政策都將激勵(lì)著我國(guó)逆變器技術(shù)的研究工作蓬勃發(fā)展。目前，我國(guó)在光伏發(fā)電領(lǐng)域的規(guī)模和關(guān)鍵技術(shù)已處于世界前列。

2 太陽(yáng)能光伏逆變器控制策略

2.1 太陽(yáng)能光伏逆變器的分類(lèi)

逆變器在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)[5]中的主要作用是將太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，同時(shí)改變?cè)瓉?lái)的電壓、幅值、頻率以及波形等，從而為各種交流用電裝置、設(shè)備提供電能，且可滿(mǎn)足并網(wǎng)發(fā)電等。目前，市場(chǎng)上逆變器有多種類(lèi)型，因此在選擇機(jī)種和容量時(shí)需特別注意。尤其在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器效率的高低對(duì)太陽(yáng)能電池容量和蓄電池的容量大小具有決定性影響。對(duì)目前市場(chǎng)上常用的逆變器進(jìn)行分類(lèi)，結(jié)果如表1所示。

2.2 逆變器控制策略

目前，多數(shù)逆變器采用的控制方法[6]可根據(jù)控制原理分為兩類(lèi)：①采用經(jīng)典控制策略的逆變器;②采用現(xiàn)代控制策略的逆變器。

2.2.1 經(jīng)典控制策略。①電壓均值反饋控制。該控制策略主要的控制方式是給定一個(gè)目標(biāo)電壓均值，通過(guò)反饋采樣設(shè)備給出的電壓均值的采樣值，用采樣值和目標(biāo)值做差，進(jìn)而得到一個(gè)誤差值，再以此誤差值為基礎(chǔ)建立新的反饋系統(tǒng)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，從而得到可控的輸出。作為一個(gè)恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電壓均值反饋控制最大的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)凈差輸出，最大的缺點(diǎn)是系統(tǒng)響應(yīng)速度慢。②電壓?jiǎn)伍]環(huán)瞬時(shí)值反饋控制。該控制主要是通過(guò)把電壓瞬時(shí)值作為給定目標(biāo)值，進(jìn)而將反饋采樣設(shè)備給出的電壓瞬時(shí)值建立反饋，且針對(duì)二者誤差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，從而得到可控輸出。作為一個(gè)隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它的控制策略的積分環(huán)節(jié)有一定的相位滯后，系統(tǒng)必然會(huì)存在凈差，所以此控制策略的穩(wěn)態(tài)誤差不好，但是系統(tǒng)響應(yīng)十分迅速。③基于電壓均值的電壓?jiǎn)伍]環(huán)瞬時(shí)值控制方法。若采用電壓瞬時(shí)值單閉環(huán)控制系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)誤差不好，但電壓均值反饋恰好可以彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，所以可以在電壓瞬時(shí)值單閉環(huán)控制系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，通過(guò)增設(shè)一個(gè)均值電壓反饋控制環(huán)節(jié)，以大大降低原系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。④電壓、電流相結(jié)合的雙閉環(huán)瞬時(shí)控制。電壓?jiǎn)伍]環(huán)控制系統(tǒng)與直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制相似，在抵抗負(fù)載擾動(dòng)方面誤差較大，只有先把負(fù)載擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)輸出的電壓、轉(zhuǎn)速等物理量的影響輸出后，控制器才能做出反應(yīng)，因此設(shè)計(jì)時(shí)可在電壓外環(huán)基礎(chǔ)上增設(shè)一個(gè)電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)負(fù)載受到擾動(dòng)信號(hào)時(shí)，電流內(nèi)環(huán)可以快速、及時(shí)地抑制負(fù)載波動(dòng)的影響，使得電壓外環(huán)調(diào)節(jié)可以大大提高抗擾性，改善控制性能。

2.2.2 現(xiàn)代控制策略。①基于多變量的狀態(tài)反饋控制。采用該策略可以任意配置系統(tǒng)的極點(diǎn)，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。但是，該控制策略在最初建立系統(tǒng)狀態(tài)變量模型時(shí)，負(fù)載實(shí)際的動(dòng)態(tài)特性難以預(yù)估，因而實(shí)際控制方案僅能假定空載或假定負(fù)載。針對(duì)該缺點(diǎn)，可在控制系統(tǒng)中加入負(fù)載電流前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，預(yù)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行魯棒分析，以大大改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，使得系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。②無(wú)差拍控制。該控制策略是將給定的正弦波參考波形等間隔劃分成若干周期，利用預(yù)測(cè)算法計(jì)算每個(gè)采樣周期的起始值，進(jìn)而在采樣周期結(jié)束時(shí)計(jì)算出負(fù)載應(yīng)輸出的值。這樣通過(guò)合理計(jì)算采樣周期的起始值，將使得系統(tǒng)輸出的波形與參考的波形完全重合，從而不產(chǎn)生任何相位、幅值偏差。③滑模變結(jié)構(gòu)控制。該控制策略實(shí)質(zhì)上是一種非線(xiàn)性控制方法，利用的是某種不連續(xù)的開(kāi)關(guān)控制策略，從而強(qiáng)迫系統(tǒng)的狀態(tài)變量沿著某一設(shè)計(jì)好的滑模面運(yùn)動(dòng)。該控制策略的優(yōu)點(diǎn)是其對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化和外部擾動(dòng)均不敏感，具有較強(qiáng)的魯棒性，但其很難確定一個(gè)理想的滑膜面，且對(duì)開(kāi)關(guān)頻率要求較高。④模糊控制。該控制策略屬于智能控制，與傳統(tǒng)的控制方案相比，是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段。不依賴(lài)于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是模糊控制的最大優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于具有高度非線(xiàn)性、不確定性對(duì)象問(wèn)題的系統(tǒng)，通?？梢圆捎迷摽刂撇呗?。⑤重復(fù)控制。內(nèi)膜控制原理是重復(fù)控制策略的基本思想?？刂撇呗钥蓪?duì)指令和擾動(dòng)信號(hào)假設(shè)一個(gè)內(nèi)膜進(jìn)行控制，從而達(dá)到輸出無(wú)凈差控制，但這種控制方案動(dòng)態(tài)響應(yīng)不好，需要較大的內(nèi)存。

3 結(jié)論

太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為新興能源，在近幾年發(fā)展迅猛。逆變器作為太陽(yáng)能光伏發(fā)電的控制核心，是光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、可靠、安全、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的關(guān)鍵因素，對(duì)于整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率、輸出電能質(zhì)量的優(yōu)劣等具有決定意義。因此，本文對(duì)現(xiàn)今的逆變器進(jìn)行分類(lèi)整理，簡(jiǎn)單介紹了光伏逆變器的控制策略，以期為光伏逆變器的研究開(kāi)發(fā)奠定一定的基礎(chǔ)。

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