郭 龍，田立欣，劉廣忱

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010080)

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換與控制的核心，也是影響整個系統(tǒng)使用壽命的主要因素，因此，并網(wǎng)逆變器受到國內(nèi)外研究者的關(guān)注。電壓源型逆變器是新能源發(fā)電系統(tǒng)中最常用的DC-AC 電力變換器。通常情況下，由于并網(wǎng)側(cè)的電壓最大值高于直流電源的輸出電壓最大值，而要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)就必須額外增加一個升壓級。然而，采用此雙級結(jié)構(gòu)會使系統(tǒng)成本增加，效率降低，可靠性變差。因此，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)的單級式并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)受到高度重視。

文獻(xiàn)[1]提出了傳統(tǒng)的Z 源逆變器，但是它具有一些局限性，例如升壓范圍較窄和出現(xiàn)浪涌電流等。提出了幾種Z 源逆變器拓?fù)鋪斫鉀Q這些局限性，其中包括準(zhǔn)Z 源逆變器和開關(guān)電感器Z 源逆變器。此外，半Z 源逆變器是另一種Z 源逆變器拓?fù)?，是作為單相光伏系統(tǒng)的低成本解決方案。大部分單級DC-AC 電源變換器拓?fù)湓谖墨I(xiàn)[2]中進(jìn)行了論述。而其不同的調(diào)制策略在文獻(xiàn)[3]中進(jìn)行概述。除了具有不連續(xù)的輸入電流并利用四個無源元件之外，所謂的Z 源逆變器還需要傳統(tǒng)的八種狀態(tài)之外的其他開關(guān)狀態(tài)。因此，文獻(xiàn)[4]提出了另一種稱為Split 源逆變器(SSI)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1 所示。與Z 源逆變器系列結(jié)構(gòu)相比，此結(jié)構(gòu)具有更少的無源元件數(shù)量、連續(xù)的輸入電流、采用電壓源逆變器相同的八種狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制策略和較低的電壓應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 Split源逆變器主電路結(jié)構(gòu)

目前，對于SSI 的控制策略研究很少。SSI 使用與電壓源逆變器相同的八個狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制，這與Z 源逆變器利用一種稱為直通狀態(tài)的附加狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)升壓能力不同。這種附加狀態(tài)提供了額外的自由度來獨(dú)立于交流側(cè)而控制其直流側(cè)，其中采用了兩級常規(guī)控制方法。該技術(shù)對于許多應(yīng)用而言都很方便。因此，本文對SSI 的工作原理進(jìn)行了分析，并建立了平均狀態(tài)模型；在此基礎(chǔ)上，使用了一種改進(jìn)的調(diào)制方案，并與同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)模式下SSI 的解耦控制；在Matlab/Simulink 中搭建模型進(jìn)行了仿真，用以驗(yàn)證所提出方案的有效性。

1 Split 源逆變器工作原理

如圖1 所示，Split 源逆變器與電壓源逆變器相比，多了三個二極管，這些二極管與一個電感和輸入直流源串聯(lián)連接。直流母線電容連接到逆變橋的六個常規(guī)開關(guān)。在Split 源逆變器中，有八種開關(guān)狀態(tài)，分別對應(yīng)兩個零狀態(tài)和六個非零狀態(tài)。圖2 顯示了每種狀態(tài)的等效電路。其工作狀態(tài)中，100、010 狀態(tài)與001 狀態(tài)相同；110、101 狀態(tài)與011 狀態(tài)相同。以上六種狀態(tài)及000 狀態(tài)都是電源通過二極管對電感進(jìn)行充電；而只有111 狀態(tài)是電感通過二極管對電容進(jìn)行放電。即在八種狀態(tài)中，有七種是為電感充電，只有一種111 狀態(tài)為電容充電。

圖2 Split源逆變器的工作狀態(tài)

根據(jù)電感器充放電，將每個開關(guān)周期TS分為兩種基本工作狀態(tài)區(qū)間，即充電狀態(tài)時間TON和放電狀態(tài)時間TOFF，開關(guān)周期TS=TON+TOFF。根據(jù)上述分析，Split 源逆變器的直流側(cè)等效為一個DC-DC 升壓變換器，其等效占空比為：

式中：T7為111 狀態(tài)切換時間。

如圖2(a)所示，第一個區(qū)間TON表示L的充電周期，根據(jù)基爾霍夫電壓定律和電流定律，可得：

式中：rL為輸入電感內(nèi)阻。

狀態(tài)空間方程為：

式(4)的矩陣形式為：

如圖2(d)所示，第二個區(qū)間TOFF表示L的放電周期，根據(jù)基爾霍夫電壓定律和電流定律，可得：

上述狀態(tài)方程式(9)為非線性方程，需用擾動法求解小信號線性動態(tài)模型，并假定了恒定的負(fù)載電流和輸入電壓。代入靜態(tài)工作點(diǎn)方程，可以得到：

2 可調(diào)的改進(jìn)空間矢量調(diào)制策略

改進(jìn)的空間矢量(SVPWM)調(diào)制策略具有一個調(diào)制參數(shù)M，不能獨(dú)立控制直流側(cè)和交流側(cè)。為了解決上述問題，引入可調(diào)的改進(jìn)SVPWM 調(diào)制策略，它的直流側(cè)主要由調(diào)制信號的共模項(xiàng)控制。因此，可調(diào)的改進(jìn)SVPWM 調(diào)制策略具有兩個控制參數(shù)，其中一個是控制電網(wǎng)側(cè)的調(diào)制參數(shù)Mac，而另一個是控制直流側(cè)的調(diào)制參數(shù)Mdc。

使用可調(diào)的改進(jìn)SVPWM 調(diào)制策略，電感L的充電占空比D等于Mdc。而平均直流母線電壓Vinv與直流輸入電壓Vdc的關(guān)系以及輸出基頻峰值相電壓Vφ與平均直流母線電壓Vinv的關(guān)系為：

3 Split源光伏并網(wǎng)逆變器的解耦控制策略

可調(diào)的改進(jìn)SVPWM 調(diào)制策略與常規(guī)的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)Split 源并網(wǎng)逆變器的解耦閉環(huán)控制。該控制策略包括最大功率點(diǎn)跟蹤控制(MPPT)功率環(huán)控制部分和網(wǎng)側(cè)控制部分。在MPPT 控制中，采用MPPT 功率外環(huán)以及輸入電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)。通過輸入電流內(nèi)環(huán)電流幅值的變化來調(diào)節(jié)逆變電路輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)光伏電池最大功率點(diǎn)的控制。網(wǎng)側(cè)控制部分由直流電壓外環(huán)和有功、無功輸出電流內(nèi)環(huán)組成。

如圖3 所示，可調(diào)的改進(jìn)SVPWM 調(diào)制的實(shí)現(xiàn)過程是將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制器生成的正弦參考信號轉(zhuǎn)換成空間矢量等效調(diào)制信號，通過計算獲得正向飽和。然后，將獲得的飽和空間矢量調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為可調(diào)的改進(jìn)SVPWM 調(diào)制等效調(diào)制信號，其中這種負(fù)包絡(luò)線由輸入電流控制器控制。

圖3 Split源逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3.1 輸出電流內(nèi)環(huán)控制

如圖3 所示，三相系統(tǒng)在同步旋轉(zhuǎn)d、q坐標(biāo)系下并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型為：

式中：ed、eq為電網(wǎng)電動勢矢量Edq的d、q分量；vd、vq為逆變器交流電電壓矢量Vdq的d、q分量；id、iq為逆變器交流側(cè)電流idq的d、q分量；Rg為網(wǎng)側(cè)電感的內(nèi)部電阻。

為了實(shí)現(xiàn)d、q軸無耦合獨(dú)立控制，降低設(shè)計難度，可采用前饋解耦控制策略，當(dāng)采用PI 調(diào)節(jié)器時，vd、vq的控制方程為：

式中：Kip為電流內(nèi)環(huán)比例增益；Kil為積分增益為id、iq電流指令值；ωg為電網(wǎng)角頻率。

被控對象的傳遞函數(shù)為：

綜合上述分析可知，電流內(nèi)環(huán)(id、iq)實(shí)現(xiàn)解耦控制。由于兩個電流環(huán)的對稱性，故以id電流控制為例討論，id輸出電流環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4 所示，TS為電流內(nèi)環(huán)采樣周期，KPWM為橋路PWM 等效增益。

圖4 輸出電流環(huán)結(jié)構(gòu)

3.2 直流電壓外環(huán)控制

直流側(cè)電容的作用主要是穩(wěn)定電壓和緩沖變換器兩側(cè)的能量交換，并可抑制直流側(cè)諧波電壓的產(chǎn)生。

設(shè)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中d軸與電網(wǎng)電動勢同步，所以有ed=|E|，eq=0。若不考慮逆變器的損耗，則可以得到：

該時變系統(tǒng)使用擾動線性化后，得到相應(yīng)的傳遞函數(shù)為：

可見，當(dāng)電網(wǎng)電壓不變時，并網(wǎng)逆變器的直流側(cè)電壓vdc與輸出電流的id分量成正比。因此，直流側(cè)電壓vdc的控制可通過id的控制來實(shí)現(xiàn)，從而可得直流電壓外環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，其中，Gc(s)為輸出電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，Kup為電壓外環(huán)比例增益，Kui為電壓外環(huán)積分增益。

圖5 電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)

3.3 輸入電流內(nèi)環(huán)控制

輸入電流環(huán)控制的目的是通過電流內(nèi)環(huán)的電流直接調(diào)節(jié)并網(wǎng)逆變器的功率輸出。假設(shè)文獻(xiàn)[5]中的直流母線電壓恒定，將小信號輸入電流簡化為輸入電流控制結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示，其中，Kip為輸入電流環(huán)比例增益，Kii為輸入電流環(huán)積分增益。

圖6 輸入電流控制結(jié)構(gòu)

3.4 MPPT 功率外環(huán)控制

通常MPPT 控制采用較經(jīng)典的恒電壓控制法、電導(dǎo)增量法、擾動觀察法、模糊邏輯控制法等。本文使用的是電流型電導(dǎo)增量尋優(yōu)MPPT 控制算法[6]，而這種MPPT 控制方法的輸出量是以電流方式輸出的，因此該控制環(huán)節(jié)是以電流環(huán)進(jìn)行跟蹤控制的，其控制結(jié)構(gòu)如圖7 所示。采用電流尋優(yōu)控制算法的優(yōu)點(diǎn)是可以直接去除三環(huán)中的直流母線電壓，通過電流內(nèi)環(huán)的電流來直接控制并網(wǎng)逆變器的輸出功率，因而使本系統(tǒng)具有更快的動態(tài)響應(yīng)。

圖7 MPPT雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)

這種控制方案是根據(jù)電導(dǎo)增量法的原理，以光伏電池的特性曲線為依據(jù)提出的，通過比較光伏電池電阻和電阻變化量來實(shí)現(xiàn)MPPT 的控制。由此得：

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證理論的合理性和正確性，使用上述方法設(shè)計了20 kW Split 源逆變器光伏發(fā)電系統(tǒng)，并利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建了本設(shè)計的整體模型，系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

首先直流側(cè)母線電壓Vinv的選擇要考慮負(fù)載的要求和網(wǎng)側(cè)電流的畸變可控性。假設(shè)本逆變器由250 V 恒定直流電源供電，根據(jù)式(11)～(12)且考慮最大運(yùn)行峰值相電壓Vφ1max，即Mac=Mdc，可粗略地計算出Vinv的下限為：

忽略網(wǎng)側(cè)電阻Rg上的壓降，再結(jié)合工程中的升壓電感L上的壓降不高于網(wǎng)側(cè)電壓的30%，將V*inv設(shè)定為1 100 V。依實(shí)際需求考慮電感電流紋波和直流側(cè)電容電壓波動的允許值，取電感值為4.5 mH，取電容值為2 mF?？刂破鱌I 參數(shù)的選擇比較復(fù)雜，先通過理論設(shè)計計算出PI 參數(shù)的初始值，再根據(jù)仿真波形的情況相應(yīng)調(diào)整PI 參數(shù)，最終找到一套較好的PI 參數(shù)，整理得：Kip=15，Kii=100，Kup=3，Kui=120，KiLp=0.005，KiLi=0.4。

圖8 為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作時電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流的仿真波形。系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時，并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流是同頻反相的正弦波。Split 源逆變器發(fā)出的無功功率由無源器件吸收，有功功率均輸送到電網(wǎng)。

圖8 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真波形

實(shí)驗(yàn)研究了日照強(qiáng)度變化時，系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略的實(shí)現(xiàn)情況。圖9 依次為光伏陣列輸出電壓vdc、光伏陣列輸出電流iL、直流鏈路電壓vinv、升壓占空比d、網(wǎng)側(cè)電壓va和網(wǎng)側(cè)電流ia的仿真圖。在25 ℃下，日照強(qiáng)度在0.4 s 由1 000 W/m2突變?yōu)?00 W/m2時，光伏陣列輸出電壓經(jīng)短時間調(diào)整后基本保持原值，升壓占空比和直流鏈路電壓也經(jīng)短時間調(diào)整后維持原值。而光伏陣列輸出電流變化較大，并網(wǎng)電流也隨之變化較大。同時，網(wǎng)側(cè)電流和網(wǎng)側(cè)電壓始終保持同頻反向，使系統(tǒng)始終保持單位功率因數(shù)運(yùn)行。所以，該控制方案能夠快速響應(yīng)日照強(qiáng)度變化，使系統(tǒng)迅速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 日照強(qiáng)度變化時，系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略的實(shí)現(xiàn)情況

實(shí)驗(yàn)研究了溫度變化時，系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略的實(shí)現(xiàn)情況。圖10 依次為vdc、iL、vinv、d、va和ia的仿真圖。在1 000 W/m2的日照強(qiáng)度下，環(huán)境溫度在0.4 s 由25 ℃突變?yōu)?0 ℃時，光伏陣列輸出電壓變化較大，電流基本不變。而升壓占空比迅速變化用以維持直流鏈路電壓的恒定。同時，網(wǎng)側(cè)電流、電壓始終保持同頻反向，使系統(tǒng)維持在單位功率因數(shù)運(yùn)行。所以，該控制方案能夠快速跟隨環(huán)境溫度變化，使系統(tǒng)迅速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 環(huán)境溫度變化時，系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略的實(shí)現(xiàn)情況

5 結(jié)論

Split 源逆變器具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使之具有與傳統(tǒng)兩級并網(wǎng)逆變器相似的功能，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為傳統(tǒng)逆變器和阻抗網(wǎng)絡(luò)型逆變器的替代選擇。本文分析了Split 源逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的優(yōu)勢，介紹了Split 源逆變器的工作原理和調(diào)制策略，并結(jié)合同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了有功、無功電流解耦控制。仿真結(jié)果表明，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的Split 源逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓保持同步，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)，證明該控制方案具有很好的動、靜態(tài)特性，能夠應(yīng)對各類環(huán)境變化和天氣條件。