光伏并网逆变器控制策略的研究
中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
光伏并网逆变器控制策略的研究
杨秋霞，宁思远
燕山大学电气工程学院 Email: [email protected]
摘 要：随着光伏产业的发展，光伏并网逆变器的控制策略越来越受到重视。本文研究了光伏并网逆变器的各种控制策略。在综合了已有的几种控制策略基础上，设计了基于锁相环技术与电网电压前馈补偿的复合控制策略，并建立了控制系统仿真模型。仿真及实验结果表明此方法具有较满意的控制效果，且谐波含量THD最小。
关键词：光伏并网；逆变器；电压前馈控制；滞环控制
Research of Grid-Connected PV Inverter Control
Yang Qiuxia, Ning Siyuan
School of Electrical Engineering of Yanshan University
Email: [email protected]
Abstract: With the development of photovoltaic(PV) industry, grid-connected PV inverter control strategy
has been paid more and more attention. In this paper, a variety of grid-connected photovoltaic inverter control strategy is studied. Basis on a combination of several kinds of control strategies of existing, composite control based on phase-locked loop technology and grid voltage feed-forward compensation strategy is designed. Then control system simulation model is established, the simulation and experimental results show that the method has a satisfactory control effect, and the harmonic content THD minimum.
Keywords: photovoltaic grid-connected; inverter; voltage feedforward control; hysteresis control
1 引言
光伏发电将在未来成为安全可靠的可再生能源发电的主要形式之一，并且随着并网技术的逐渐成熟，甚至将成为电力主要供应形式，拥有广阔的市场前景[1]。 逆变技术主要应用于交流电动机的传动、变频电源、不间断电源(UPS)、市电电源的无功补偿器、有源滤波器等所有需要将直流电能变换成交流电能的地方[2]。
光伏发电系统所发出的电能为直流电，如果想并入电网，就必须使用逆变器对电能进行转换，将直流电转换为交流电。逆变器控制主要是对逆变器输出的正弦电流进行控制，在保证输出电流与电网电流同频率、同相位的基础之上，还要保证输出电流含有较少的谐波，即THD值控制在要求范围内。因此，研究光伏并网逆变器的控制策略有重要意义。
光伏并网逆变器拓扑结构如图所示，本文采用的逆变器为单相电压型PWM逆变器。L为滤波电感，R为负载。Ud为输入的直流电压，Uo为输出电压，Igrid为并网电流，Unet为电网电压。其中逆变器的设计核心是逆变桥电路，这里采用全桥电路，通过对全桥DC-AC电路的IGBT开关管进行通断控制， 将直流电能转化成交流电能后通过滤波器滤波进行并网。
2.2 电流滞环控制原理
电流滞环控制是一种闭环电流跟踪控制方法，它具有硬件结构简单、动态响应速度快、电流跟踪精度高、不依赖负载参数和不用载波等优点，适合于逆变器并网运行控制。
滞环比较控制原理图如图2 所示。
2 光伏并网逆变系统
2.1 光伏并网逆变器拓扑结构
图2. 光伏并网逆变器拓扑结构
图1. 光伏并网逆变器拓扑结构
将电网参考电流iref与逆变器输出的并网电流igrid
进行比较，两者的误差Δi作为滞环控制部分的输入，当电流误差Δi大于指定的环宽时，滞环比较器输出PWM脉冲信号来控制功率开关器件的开断，从而实现对并网电流的控制。
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其并网逆变器控制结构如图3所示。 电流幅值与同步信号相结合产生参考电流给定值， 该同步信号是由所检测得到的电网电压经过锁相环节得到。
dt
对式(1)进行拉普拉斯（Laplace）变换，可得：
1
Igrid(s)=[Uo(s)−Unet(s)] (2)
sL+R
=GT(s)[Uo(s)−Unet(s)]式(2)中，GT(s)=1/(sL+R)是滤波器的传递函数。忽略功率开关器件、PWM开关周期及死区时间等非线性因素的影响，全桥逆变系统的传递函数在 SPWM 控制方式下可视为一高增益的惯性环节，其传递函数为：
Kpwm
(3) Ginv(s)=
Tpwms+1
Uo=L
dIgrid
+RIgrid+Unet (1)
图3. 滞环控制系统
基于滞环控制的逆变器的工作过程如下：首先对网侧电压进行锁相处理，获得与其同步的并网参考电流相位信息，进而得到完整并网电流参考信号；再将该电流参考信号与实测的并网电流进行比较，比较所得的差值送入滞环比较器，得到逆变器开关的控制信号，从而控制逆变桥输出,使得并网电流跟踪参考信号变化。
其中，Tpwm是一时间常数，Kpwm是逆变器增益，且 Kpwm =Ud /Lm，Lm是控制算法环节调节器的饱和限幅值。
PI 控制器的传递函数为：
Gpi(s)=
Kps+Ki
s
(4)
2.3 电压前馈控制原理
本文在以电流内环控制的基础上，引入电网电压前馈补偿来抑制电网电压扰动的控制策略，以达到改善逆变器输出并网电流的目的。电流内环要求逆变环节输出的并网电流能够快速地跟随并网参考电流，是整个光伏并网控制系统设计中关键部分之一；通过在控制系统中加入电网电压的前馈补偿，从而可以减少并网电压波动对逆变系统输出的并网电流的影响。
其控制框图如图4所示，其中GN(s)为电网电压的前馈补偿环节，Iref为给定的并网参考电流，Igrid为逆变器输出的实际并网电流为，Gpi(s)为PI调节控制环
因此，光伏并网逆变系统的开环传递函数如下所示：
Kps+KiKpwm1 (5)
G(s)=
sTpwms+1sL+R
2.3.2 电压前馈补偿参数设计
电网电压前馈补偿如图4中虚线部分所示。当电
网处于恶劣环境时，电网电压会出现不对称甚至畸变情况，会严重到整个光伏系统正常运行。
此外，电网电压剧烈波动会影响逆变器输出的并网电流。可以将电网电压视为扰动信号，在没有施加电网电压前馈补偿情况下，如图4中实线部分所示。此时电网电压对输出并网电流Igrid传递函数为：
GT(s) I(s)=Unet(s) (6) grid
1−Gpi(s)Ginv(s)GT(s)
此时的系统误差为：
eerr(s)=−Igrid(s)=−
GT(s)
Unet(s) (7)
1−Gpi(s)Ginv(s)GT(s)
图4. 电压前馈控制电流跟踪系统框图
在加入电网电压前馈补偿后，此时的系统误差为： e(s)=−I(s)=−GT(s)[1+GN(s)Ginv(s)]U(s)(8) errgridnet
1−Gpi(s)Ginv(s)GT(s)在上式中，若令GN（s）=1/-Ginv（s），则有eerr=0。 通过在并网逆变系统中加入电网电压前馈控制，使得电网电压对逆变环节输出的并网电流影响减为最小，从而使系统在理论上达到完全补偿的效果。
2.3.1电流内环设计
取滤波电感 L 上的电流Igrid作为状态变量，利用基尔霍夫电压定律（KVL）可推导出逆变器输出电路的电压平衡方程：
2.3.3 PI调节器参数设计
为获得最佳的性能效果，将控制系统设计成一个
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二阶系统，用“二阶最佳工程设计法”对PI控制器参数进行整定选取，二阶闭环系统的传递函数的一般形式为：
1
Φ(s)=(T1
T1s+T2s+1根据自动控制理论，为了让二阶系统输出具有很好的动态品质特性，即系统输出量能够快速完全地跟踪给定参考量，由此可求出二阶系统品质最佳的开环传递函数为：
1 (10) Φ(s)=
1
2T1s(1+2T2s)
2
令 PI 控制器传递函数如下所示：
Kp
s+1
Kps+KiKi (11)
=Gpi(s)=
ssKi为了使并网逆变环节中时间常数Kp/KI能被 PI 控制器抵消，可设定：
KpR (12)
=KiL
所以控制系统的开环传递函数为： Kp
s+1
KpwmKi1
G(s)=Gpi(s)G1(s)=
sTpwms+1sL+RKi
3 仿真实验及结果分析
本论文通过运用Matlab中的Simlink模型库和Simpowersystem模型库搭建了仿真模型。分四组进行了实验：实验1：指定参考电流及电压前馈复合控制；实验2：基于锁相环技术电流滞环控制；实验3：锁相环技术与PI调节复合控制；实验4：电压前馈控制与锁相环复合控制。
其中直流电压源电压为400V，用交流电压源代替电网，电压为311V，频率为50Hz。参考电流幅值为40A，电感值为0.004H，电阻值为0.01Ω。PI调节器参数Kp=12，Ki=300。
实验1仿真波形：
图5. 实验1电流波形
=
1
(1+Tpwms)
Kpwm⋅Ki
(13)
图6. 实验1 FFT分析图
实验2仿真波形：
将式(13)和式(10)对照，可得系数
R (14) T1=
Kpwm⋅Ki
1
2T1=Tpwm (15) 2
即可解得：
Ki=
R (16) 2Kpwm⋅Tpwm
图7. 实验2电流波形
Kp=
L (17) 2Kpwm⋅Tpwm
由此可得到经校正的系统闭环传递函数为：
G(s)1 (18) G∗(s)==22
1+G(s)2Tpwms+2Tpwms+1该控制策略在以电流环设计的基础上引入电网电压前馈补偿，其设计核心还是基于 PID 控制技术的，P、I 参数的整定是建立在逆变控制系统函数模型的基础上，而式(3)的逆变传递函数是一种经验模型，只能作为理论指导值，在实际应用中需根据实际时间常数、分布参数进行适当调整。
图8. 实验2 FFT分析图
实验3仿真波形：
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图9. 实验3电流波形
实验3是锁相环技术与PI调节复合控制，实验结果显示谐波明显下降，达到了1.77%。实验4在实验3的基础之上又加入了电压前馈控制环节，使得谐波含量进一步下降至1.69%，达到了预期效果。因此实验4的控制策略为最优策略，其并网电流和电网电压关系如图13所示。
图10. 实验3 FFT分析图
图13. 并网电流和并网电压关系图
实验4仿真波形：
4 结论
本文通过对电流滞环控制和电压前馈控制的分析，设计了一种在电流闭环控制的基础之上，加入以上两种控制方式的复合控制方式，并且运用Matlab进行了仿真。通过对实验结果的分析，达到了预期效果。复合控制方式下输出的并网电流谐波含量THD值最小。为今后进行其他控制方式的复合奠定了一定基础。
图11. 实验4电流波形
参考文献
[1] [2] [3] [4]
张子西. 光伏发电及其并网的研究[J]. 科技世界，2012，9(25)：320-321.
刘凤君. 现代逆变基础及应用[M]. 电子工业出版社，2006. 孙孝峰，顾和荣，王立乔，邬伟扬. 高频开关型逆变器及其并联并网技术[M]. 机械工业出版社, 2001. 1.
赵清林，郭小强，邬伟扬. 单相逆变器并网控制技术研究[J]. 中国电机工程学报，2007，27(16)：60-64.
齐 飞，金 海. 基于Simulink光伏并网逆变器滞环电流控制的研究[J]. 工业控制计算机，2012，25 (7)：104-105.
吴云亚，谢少军，阚加荣，过亮. 逆变器侧电流反馈LCL并网逆变器电网电压前馈控制策略[J]. 中国电机工程学报2013. 33(6)：54-60.
许周明. 基于滞环控制的单相全桥逆变器研究[D]. [硕士学位论文]. 西南交通大学，2012.
孙志松. 光伏并网发电系统的MATLAB仿真研究[D]. [硕士学位论文]. 南昌航空大学，2012.
图12. 实验4 FFT分析图
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实验1-4的仿真波形如上述图所示，在电流波形图中曲线1为实际仿真并网电流波形，曲线2为参考电流波形。并且对输出的并网电流波形进行了分析。图5为实验1电流波形，由于没有加入锁相环技术，所以并网电流稍稍滞后于参考电流。实验2-4由于加入了锁相环技术，所以这三项实验的并网电流达到了和参考电流同频率，同相位。
图6、18、10、12为四个实验并网电流的FFT分析，分析起始时间为0.1s，分析周期为1个周期，最大分析频率为2000Hz。根据GB/T20231规定，光伏并网逆变器的谐波含量应不大于5%。从图中可以看到，四个实验并网电流的总谐波失真(THD)都达到了规定的要求，但是实验1，2由于只有单一的一种控制方式，所以含有较大的谐波，分别为3.62%和2.54%。
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