宋 璐，衛(wèi)亞博，馮艷平

（1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712046；2.平頂山學(xué)院，河南平頂山 467000；3.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450121）

太陽能作為可再生能源之一，具有無污染、低成本和安全可靠等優(yōu)點，是最常見的一種可持續(xù)發(fā)展的新能源[1]。為了更好地實現(xiàn)光伏發(fā)電的并網(wǎng)運行，需要將系統(tǒng)所得到的直流電轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)的三相交流電，其中逆變器就是必須配置的轉(zhuǎn)換設(shè)備。為此，設(shè)計了一種帶LCL 濾波的兩級式三相光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)，可通過第一級DC/DC 升壓電路將光伏陣列的輸出電壓升高，然后經(jīng)過第二級逆變器實現(xiàn)直流對并網(wǎng)交流的轉(zhuǎn)換，并采用LCL 濾波器對高次諧波進行濾波，最后以Simulink 為平臺，進行了相應(yīng)控制系統(tǒng)的仿真。

1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理

三相兩級式光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括光伏陣列、DC/DC 直流變換器、MPPT 控制器、DC/AC 逆變器、LCL 濾波器、三相鎖相環(huán)、PQ 逆變控制器和三相電網(wǎng)。其中，兩級式控制系統(tǒng)第一級為DC/DC直流升壓電路，第二級為DC/AC逆變器[2]。

圖1 三相兩級式光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

第一級的主要作用是使光伏陣列實現(xiàn)對太陽能的最大利用，并為后級提供合適且穩(wěn)定的直流電壓。為了保證光伏陣列的輸出電壓范圍能夠滿足第二級逆變器的正常工作，一般情況下都會采用DC/DC 直流升壓電路（Boost斬波電路）為后級提供合適的電壓[3]。但由于光伏陣列所處的外界環(huán)境變化較大（如光照強度和溫度），使其輸出功率非線性特性明顯，在第一級中需要使用最大功率點跟蹤技術(shù)（MPPT），來使系統(tǒng)能夠獲得最大功率的輸出。Boost 斬波電路的結(jié)構(gòu)已經(jīng)較為成熟，可以參考文獻[4]，這里不再贅述。

第二級的主要作用是通過各種控制策略將第一級輸入的直流電轉(zhuǎn)換成滿足并網(wǎng)需求的交流電，并在并入三相電網(wǎng)前通過LCL 濾波器過濾掉因采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)而產(chǎn)生的高次諧波。DC/AC 逆變器的主要作用是實現(xiàn)逆變過程和并網(wǎng)控制，由三相鎖相環(huán)實時準確地獲取三相電網(wǎng)電壓的同步相位信息，再由PQ 逆變控制器控制母線電壓，從而獲得滿足并網(wǎng)需求的三相交流電[5]。三相LCL 型逆變器拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，其中Udc為第一級Boost 斬波電路輸出的直流電壓，C1為直流母線上的濾波電容（可以緩解前后級能量突變），S1～S6為全橋逆變電路中的6 個功率開關(guān)管，i1a、i1b和i1c為逆變器輸出側(cè)流過電感L1的電流，i2a、i2b和i2c為并網(wǎng)交流電輸入側(cè)流過電感L2的電流，ua、ub和uc分別為各橋路輸出相電壓，L1為逆變器輸出側(cè)電感，L2為并網(wǎng)交流電輸入側(cè)電感，C為LCL 濾波器高頻濾波電容，ica、icb和icc為流過濾波電容的電流，O點為并網(wǎng)交流電中性點，O′為LCL 濾波器濾波電容的中性點。

圖2 三相LCL型逆變器拓撲結(jié)構(gòu)圖

2 光伏并網(wǎng)控制策略

2.1 MPPT控制策略

由于光伏陣列所處環(huán)境中的光照強度和溫度的變化，使其輸出的電壓和輸出的功率都會隨之改變，從而直接影響到光伏陣列的并網(wǎng)效率。所以為了極大地提高電池的利用率，在并網(wǎng)之前需要通過最大功率點跟蹤技（MPPT），來有效地確保系統(tǒng)能夠正常工作在所處環(huán)境下的最大功率點（MPP）處[6-11]。

經(jīng)典的MPPT 策略有固定電壓法（CVT）、擾動觀察法（P&Q）和電導(dǎo)增量法（INC）[12-15]。固定電壓法是一種開環(huán)控制方法，控制速度快，但未考慮到溫度的影響，所以控制效果較差，不適用于溫差變化較大的場合[16]；擾動觀察法結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)，但是精度不高，速度較慢，在最大功率點處容易產(chǎn)生功率震蕩，所以導(dǎo)致效率較低；電導(dǎo)增量法是通過改變光伏陣列的輸出電流和輸出電壓的變化率來實現(xiàn)對MPP 的跟蹤，具有速度快、準確性高等優(yōu)點[17-18]，所以這里選擇電導(dǎo)增量法作為系統(tǒng)的MPPT 控制策略。

2.2 逆變器并網(wǎng)控制策略

逆變器并網(wǎng)控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，首先通過PLL 鎖相環(huán)得到與d 軸同相位的三相電網(wǎng)相位信號ω，再結(jié)合ω經(jīng)過Park 變換分別將三相靜止坐標系下的電網(wǎng)側(cè)電流i2a、i2b、i2c和流過濾波電容的電流ica、icb、icc，變換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流分量igd、igq和icd、icq；然后通過外環(huán)控制器得到外環(huán)控制信號idref和iqref，這兩個外環(huán)控制信號同ω和Park 變換后的直流分量一起共同作為逆變器內(nèi)環(huán)控制器的輸入信號；各個輸入信號在逆變器內(nèi)環(huán)控制器內(nèi)部再分別通過PI 控制器和三相PWM 調(diào)制器，最終生成PWM 脈寬調(diào)制驅(qū)動信號，將其送入到DC/AC 并網(wǎng)逆變器從而將第一級Boost 斬波電路輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榕c三相電網(wǎng)同相位同幅度的三相交流電。

圖3 逆變器并網(wǎng)控制器結(jié)構(gòu)圖

3 仿真結(jié)果分析

在LCL 三相光伏并網(wǎng)逆變器控制仿真系統(tǒng)中，采用SunPower SPR-305 作為太陽能光伏組件，則在標準測試條件下（太陽能輻射通量為10 000 W/m2，溫度為25 ℃），光伏陣列各個參數(shù)分別如下：最大功率305.226 W，開路電壓64.2 V，短路電流5.96 A，最大功率點電壓54.7 V，最大功率點電流5.58 A。若光伏發(fā)電系統(tǒng)額定容量為100 kW，需要328 塊光伏板，設(shè)置光伏板并聯(lián)數(shù)量為33 塊，串聯(lián)數(shù)量為10 組，則實際裝機容量為100.725 kW。

3.1 光伏陣列仿真結(jié)果

在仿真系統(tǒng)中將初始輻射通量設(shè)置為10 000 W/m2，得到的光伏陣列輸出特性曲線如圖4 所示。在圖4中，分別設(shè)置了3 種不同的溫度：0 ℃、25 ℃和50 ℃，得到了不同溫度條件下的P-U輸出特性曲線如圖4（a）所示，I-U輸出特性曲線如圖4（b）所示。

圖4 光伏陣列輸出特性曲線

3.2 輸出功率

將初始輻射通量和溫度分別設(shè)置為10 000 W/m2和25 ℃，在0.4 s 時，將輻射通量設(shè)置為600 W/m2，在0.8 s 時，將溫度設(shè)置為45 ℃，三相光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)輸出功率仿真結(jié)果如圖5所示，其中圖5（a）為光伏陣列輸出功率波形圖，圖5（b）為系統(tǒng)輸出有功功率波形圖，可以看出逆變器控制系統(tǒng)在0.1 s之內(nèi)即可達到功率的穩(wěn)定輸出，并實現(xiàn)了對最大功率點的追蹤，輸出功率和光伏發(fā)電系統(tǒng)額定容量保持一致。

圖5 輸出功率仿真結(jié)果

3.3 三相并網(wǎng)電壓和電流

設(shè)置直流母線電壓為700 V，電網(wǎng)側(cè)三相交流電壓為380 V，頻率為50 Hz，則并網(wǎng)電壓和電流仿真結(jié)果如圖6 所示。其中圖6（a）為三相并網(wǎng)電流波形圖，圖6（b）為A 相并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形圖，可以看出并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流能夠保持同相位，無論并網(wǎng)電流隨著環(huán)境的變化而如何變化，并網(wǎng)電壓始終保持在設(shè)定值。

圖6 三相并網(wǎng)電壓和電流仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

設(shè)計了一種LCL 兩級式三相光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)，其中第一級為DC/DC 直流升壓電路（Boost斬波電路），為系統(tǒng)提供合適的電壓，并在MPPT 控制策略下保證系統(tǒng)工作在最大功率點處；第二級為DC/AC 逆變器，主要作用是實現(xiàn)直流量到并網(wǎng)交流量的轉(zhuǎn)變和并網(wǎng)逆變控制。并且基于Simulink 設(shè)計了兩級式三相光伏并網(wǎng)逆變器仿真系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和運行速度快等優(yōu)點，輸出的三相電壓和電流始終同相位，能夠達到并網(wǎng)目標，仿真效果良好。