沈陽工程學(xué)院 李 鑫 楊秀敏

伴隨經(jīng)濟全球化快速發(fā)展，全球的能源枯竭與環(huán)保問題也日益加劇，引起對再生資源利用的重視，而太陽能因其潔凈無污染、可再生等眾多優(yōu)勢而被全球所重視。光伏發(fā)電可減少能耗、節(jié)能減排，是目前世界能源專家所認為的最重要新能源之一[1]。通過光伏變電裝置可實現(xiàn)對于太陽能的高效利用，相比于傳統(tǒng)的化石能源、核能源、水能源，其具有綠色清潔、安全可靠的特點，光伏發(fā)電是實現(xiàn)高效利用太陽能的關(guān)鍵技術(shù)，而光伏并網(wǎng)逆變器則是整個電網(wǎng)能源轉(zhuǎn)化過程中的核心控制裝置，對光伏并網(wǎng)控制的運行穩(wěn)定、安全可靠、安全性、高效性都有直接影響[2]。

對光伏發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)而言，并網(wǎng)逆變器的實現(xiàn)是整個系統(tǒng)中最為核心技術(shù)[3]。逆變器電流控制是通過電網(wǎng)電壓矢量和逆變器所要求的無功功率、或有功功率計算出的電流向量，并由此得到電流向量指示[4]。但這種間接的電流控制技術(shù)缺點是對系統(tǒng)參數(shù)改變比較敏感；無電流反饋控制器，動作響應(yīng)緩慢；無法確定輸出電壓波形品質(zhì)?；诖?，本文提出對并網(wǎng)逆變器的輸出有功和無功功率進行控制（PQ 控制）方案，對光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器控制策略進行了研究。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

主電路設(shè)計。逆變器的控制方式有電壓源輸入控制法和電流源輸出控制法兩種選擇。所有干線的拓撲結(jié)構(gòu)均采用兩級級聯(lián)的方法，前一環(huán)DC/DC和后繼環(huán)DC/AC 逆變器由中間直流電壓進行相應(yīng)的連接。前一環(huán)DC/DC 電路選用經(jīng)過MPPT 優(yōu)化算法，精確了對于Boost 電路的控制，實現(xiàn)了在最大功率狀態(tài)下的穩(wěn)定運行，提高太陽能光伏板轉(zhuǎn)換效率；DC/AC 電路產(chǎn)生同頻和同相的輸出電流電壓，此階段所有控制部分由TMS320和F2812配合進行。

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計。要實現(xiàn)對于最大功率點的追蹤控制，必須將DC-DC 轉(zhuǎn)換器放置到太陽能電池輸出與負荷的中間位置，各自精確測量太陽能光伏電池和DC-DC 變換電路輸出的電壓和電流，再利用APD 變換將數(shù)字離散信號輸入到單片機中，單片機所選用的型號一般是AVR 系列的ATtiny15L單片機，經(jīng)過電路數(shù)據(jù)剖析計算后輸出PWM 脈沖信號，進而實現(xiàn)對于DC-DC 變換電路中開關(guān)元件的控制。對太陽能電池輸出電壓和DC-DC 轉(zhuǎn)換電路輸出電壓進行精確測量時，均采用了性能優(yōu)異的差動放大儀，在檢測直流轉(zhuǎn)直流逆變器電路的輸出電流時，一般應(yīng)選用在采樣電阻器兩側(cè)進行電壓值檢測的方式，放大電路則選用了高壓可編程差分放大電路，而集成放大器的差分增益值則由外圍集成電路所決定。

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計。當選用ATtiny15L 計算準確測量的電壓和電流時，必須運用獨立編輯加法運算以及除法運算程序，由于DC2DC 變換是利用單片機輸出的PWM 控制開關(guān)管完成的，因而程序的最后階段是對PWM 輸出的pwm 占空比加以調(diào)整。

2 濾波器設(shè)計及PQ 控制

隨著并網(wǎng)逆變器相關(guān)技術(shù)的進步，對逆變器輸出電能質(zhì)量的要求越來越高，對濾波器的研究逐漸受到重視[5]。通過研究LCL 過濾器特點，選擇LCLLC 型過濾器，解決LCL 過濾器問題。LCLLC濾波原理是在傳統(tǒng)的LCL 濾波器中，再加上一條諧振支路(Lf與Cf串聯(lián)支路)，獲得與諧振支路開關(guān)產(chǎn)生高頻諧波相同旁路優(yōu)勢，且比傳統(tǒng)LCL 濾波器的高頻諧波衰減速率更快。

2.1 LCLLC 濾波器參數(shù)設(shè)計

本研究在5kW 電流閉環(huán)控制并網(wǎng)逆變器的基礎(chǔ)上，計算LCLLC 濾波器相關(guān)參數(shù)，逆變器參數(shù)如下：額定功率P5kW、電網(wǎng)線電壓有效值E100V、直流側(cè)電壓Udc200V、逆變器開關(guān)頻率f15Hz。假設(shè)LCL 濾波器的電容電感與LCLLC 濾波器的相等，用L1表示橋臂測電感，用C 表示濾波電容，用L2表示網(wǎng)側(cè)電感?？蒐CL 濾波器諧振頻率采用以下公式：ω=，令a=Cd/Cf，b=ω1/ω，c=(ω/ωs)2，通過圖3可活動LCLLC 濾波器傳遞函數(shù)，具體見公式：G=ig(s)/ui(s)=LfCfs2/(L1L2LfCfCds5+(L1L2(Cd+Cf)+LfCf(L1+L2))s3+(L1+L2)s)。

式中，串聯(lián)支路電感為Lf，串聯(lián)支路諧振電容為Cf，濾波器濾波電容為Cd，串聯(lián)支路的諧振頻率和主電路開關(guān)頻率相同，因此支路諧振頻率ωs可表示為經(jīng)ωs推導(dǎo)獲得LCLLC 濾波器的諧振頻率ω1和ω2表達式，具體見公式：

通過以上可知，固定系統(tǒng)頻率、支路諧振頻率不變時，LCLLC 濾波器第二個諧振頻率ω2的尺寸由a 值大小決定，可采用所希望的ω2，經(jīng)計算獲得了電容Cd和Cf之間的最大差值a。可按照LCL 濾光器的參數(shù)設(shè)計方案設(shè)定LCLLC 濾光器和電路相關(guān)參數(shù)。

電感L1設(shè)計。在設(shè)計電感L1過程中，設(shè)置橋臂測電流可接受誤差畸變率THD=10%，并網(wǎng)逆變器調(diào)制度m=0.9，則可獲得公式式中的Lb計算公式為Lb=E2/(100πP)。

總電容C 設(shè)計。一般由電容濾波所產(chǎn)生的無功損耗不可超過3%，所以濾波電容須設(shè)置最大限值，具體見公式（2）：C ≤3%Cb=47.77μF，式中電容基準值為Cd：Cd=P/(100πE2)，選取C=30μF，因電容Cd、電容Cf的比值和ω 存在關(guān)聯(lián)，因此取Cd=20μF，Cf=10μF；網(wǎng)側(cè)電感L2設(shè)計。由公式L2≈L1/(L1Cω12-1)=0.000783mH，可選取L2=0.0008mH 作為仿真參數(shù)。

諧振電感Lf設(shè)計。在已知諧振電容Cf條件下，由公式Lf=1/(Cfω2sw)=11.25μF，可計算出諧振電容仿真參數(shù)及LCLLC 濾波器仿真參數(shù)，LCLLC 濾波器仿真參數(shù)如下：總濾波電容C30μF、網(wǎng)側(cè)電感L20.0008mH、橋臂電感L10.1mH、電容Cd20μF、電容Cf10μF、諧振電感Lf11.25mH。

2.2 PQ 控制

在光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器的功能是通過控制小功率開關(guān)器件的打開和閉合順序，將由太陽能所產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)壓力頻率和相位相同的交流電。PQ 的主要作用是調(diào)控并網(wǎng)逆變器的輸出功率，公式（3）為電網(wǎng)三相電壓間的關(guān)系：

將靜止abc 坐標系通過pack 變換轉(zhuǎn)換到dq 坐標系，從而使解耦得到實現(xiàn)。PQ 控制在逆變器并網(wǎng)模式下可轉(zhuǎn)化為基于電流控制的PQ 控制。PQ 控制器是將反饋電壓信息iL、電流參照值i 進行有效聯(lián)系，這是選取電流環(huán)PI 控制器主要目的，在達到零差狀況后可將非線性擾動對系統(tǒng)負面影響降低。微電網(wǎng)系統(tǒng)在PI 控制作用下零差狀況達到后，其輸入輸出電量可達到給定參照值，同時穩(wěn)定工作。在微電網(wǎng)維持恒定的輸出電壓時，供電負荷的電壓與電網(wǎng)電壓相同可得到保障，微電網(wǎng)輸送電流變化具有與正弦曲線趨于一致的波形。對于三相不均勻負荷來說，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)會對其產(chǎn)生危害的抵抗性。有功和無功輸入輸出可保持其靈敏度。

綜合運算電網(wǎng)電壓的前饋控制量、三相電流的解耦狀量、PI 控制器的輸出量，在旋轉(zhuǎn)坐標系下，可將逆變系統(tǒng)電壓參考量的投影量Ud和Uq計算出來。dq 變換公式：ud=ed+(kp+(ki/s))(i＊d-id)-ωLig、uq=eq+(kq+(ki/s))(i＊q-iq)-ωLig，其中三相交流電中的電壓值、電流值及兩者間相位角在鎖相環(huán)（PLL）的作用完成park 變換，從而獲取兩相dq 分量。經(jīng)由公式Pref=udid+uqiq=udi＊d、Qref=-udi+uqiq=udi＊d計算出逆變器輸入有功無功功率值。在這里，無功功率輸出大小控制在0，有功功率輸出大小控制在10kW，經(jīng)公式1～3計算可得參考電流I＊d=26A，I＊q=0A。

2.3 仿真結(jié)果

直流側(cè)光伏電源模塊被700V 的直流電源代替，在長時間離網(wǎng)的狀況下，模擬實驗并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)動態(tài)反應(yīng)效果，本次仿真增加了斷路器控制，在系統(tǒng)開始運行的0.05s 時連接主電路，電路在0.15s時切斷，并觀察控制系統(tǒng)的反應(yīng)狀態(tài)。

通過圖1和圖2的MATLAB 仿真實驗波形，在0.05s 處并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)啟動工作，電網(wǎng)在0.15s 切斷后立即停止，且與電網(wǎng)開斷時所需反應(yīng)時間約為0.01s，系統(tǒng)隨后可迅速恢復(fù)正常，動作響應(yīng)迅速，在整個工作中均輸出比較平穩(wěn)的電壓與電流，達到目標期望，證明該控制策略能有效控制并網(wǎng)逆變器的輸出。

圖1 網(wǎng)側(cè)電壓波形圖

圖2 逆變側(cè)電流波形圖

3 結(jié)語

本文分析了光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器控制策略，提出一套控制網(wǎng)逆變器的輸出有功和無功功率的具體（PQ 控制）方案，得出如下結(jié)論：

本文采取最大功率因數(shù)跟蹤監(jiān)控方法，以TMS320F2812為主芯片，以同頻同相位傳感輸出電流和電壓作為主要的檢測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)輸出電流與電壓同頻同相；在0.05s 處啟動并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)，電網(wǎng)在0.15s 時切斷后停止，所需反應(yīng)時間在電網(wǎng)開斷過程中大約為0.01s，此后可迅速恢復(fù)正常，在整個工作工程中輸出電壓電流波形均比較平順；軟件的功能設(shè)計通常有大輸出功率和反孤島功能，在輸出電壓波形設(shè)計良好的條件下，系統(tǒng)平穩(wěn)安全、可接入電網(wǎng)，并為中小型太陽能光伏能源并網(wǎng)提供足夠技術(shù)支持，確保其順利運行，為太陽能資源的開發(fā)利用創(chuàng)造一條新途徑。