基于電流滯環跟蹤控制的三相光伏并網系統

吳玉蓉，周朝坤，薛 勇

（1.武漢紡織大學電子信息工程學院，武漢市，430073；2.湖北華電襄樊發電有限公司，湖北省 襄樊市，441414）

0 引言

隨著科學技術的快速發展和生活水平的不斷提高，對能源的過度消費造成了化石能源的快速枯竭和全球生態環境的嚴重破壞，開發利用可再生能源成為世界各國共同追求的目標。太陽能發電安全、清潔、資源分布均勻，對環境沒有污染和破壞。目前，太陽能獨立發電已經投入使用。受天氣等因素的影響，獨立的太陽能發電系統不穩定，采用光伏并網發電可提高系統的運行性能和效率，實現太陽能由補充能源向替代能源的過渡。光伏發電系統和電網的接口多采用逆變器，并網逆變器的控制性能直接影響發電系統輸出的電能質量。由于電網的電壓不便于控制，因此逆變器的控制對象為逆變器輸出電流，要求并網電流能適時跟蹤電網電壓的頻率、相位和并網給定容量的變化，且電流的總諧波畸變要低，以減小對電網的諧波影響。因此，并網逆變器的輸出電流控制具有重要的研究價值和廣闊的應用前景。

目前，電流控制主要有比例積分（proportional integral，PI）控制、無差拍控制、重復控制、模糊控制、單周期控制、滯環控制等。其中：PI控制算法簡單、技術成熟、具有較好的動態響應和較強的魯棒性，但是不能實現正弦指令的無靜差跟蹤，系統的精度不易滿足要求[1-2]；無差拍控制和預測控制的有效性在很大程度上取決于被控對象模型的精確程度，而并網逆變器為復雜的非線性系統，建立其精確模型具有一定的難度，模型選擇不當會使系統控制不穩定[3-4]；模糊控制算法比較復雜[5]；重復控制不能實現短于1個基波周期的動態響應[6-7]。電流滯環的脈寬調制（pulse width modulation，PWM）逆變器采用瞬時值比較方式，雖然存在開關頻率不固定的缺點，但是它具有自動峰值限制能力，電流跟蹤精度高、動態響應快、不依賴負載參數和無條件穩定，不需要載波等優點。

本文針對光伏并網逆變器的運行特點，提出了輸出電流滯環控制實現的并網電流控制器的設計方案，借助MATLAB仿真軟件建立了三相并網逆變器的仿真模型，并對所提出的方案進行仿真分析；同時在搭建的功率為10 kW的并網逆變器試驗平臺上進行了試驗研究。

1 三相并網逆變器主電路結構

三相并網逆變器主電路原理如圖1所示。三相并網逆變器由光伏陣列、6個功率開關、3個并網電抗器和電網構成。其中：逆變器的直流電源由光伏電池方陣提供；ua、ub、uc為逆變器交流側輸出電壓；ia、ib、ic為逆變器輸出電流；ea、eb、ec為電網電壓；L為并網電抗器，兼具有平滑濾波的作用。電感中的電流即并網電流

并網系統采用電壓型逆變器，輸出采用電流控制方式，電網可視為容量為無窮大的電壓源，因此，只需要控制逆變器的輸出電流相位與電網電壓的相位同步，幅值保持正弦輸出，就可以達到并聯運行的目的。滯環控制用于控制逆變器的并網電流，易于實現對電網電壓頻率和相位的實時跟蹤，響應迅速且穩定性好。

2 電流滯環控制原理

并網逆變器的電流滯環控制是把電網的電流作為給定信號，把逆變器輸出的實際電流即并網電抗器中的電流作為反饋信號，通過2者的瞬時值比較來控制逆變器各功率開關，使實際的輸出電流跟蹤電網電流的變化，從而達到實時跟蹤電網電流的目標。圖2給出了電流滯環控制三相并網系統的原理圖。圖中，ia0、ib0、ic0為電網的電流。

三相電流滯環控制的光伏并網系統是由3個單相半橋電路組成的，為了簡化敘述，本文僅以a相（圖2中T1和T4橋臂組成）為例分析滯環控制的原理。

當a相并網電流ia＞ia0+δ時，T4導通，T1截止，ia開始下降；當ia下降到ia＜ia0-δ后，T1導通，T4截止，ia開始上升。這樣，通過滯環比較器控制T1和T4的交替通斷動作，就可以使|ia-ia0|＜δ，從而實現并網電流ia對電網電流ia0的跟蹤。顯然，電網電流在1個開關周期內脈動1次，其波形如圖3所示。設電流上升時間和下降時間分別為t1、t2，開關周期T=t1+t2，電流變化環寬為 2δ，直流側電壓為 Udc，電網電壓為 ea，且 Udc＞ea。在高開關頻率下，由u=L×di/dt得

式中uL為電感上的電壓。經推導可知，開關的最大頻率fmax=Udc/（4Lδ）。

3 仿真研究

3.1 仿真模型

基于Matlab Simulink建立的三相并網逆變系統主電路的仿真模型，模型主要參數為：電網電壓的峰值為311 V；頻率為50 Hz；直流側電壓為800 V；并網電抗器的電感均為5 mH；額定輸出電流的峰值為15 A，滯環的環寬為0.1 A。系統仿真模型如圖4所示，系統中的滯環電流控制子系統模型如圖5所示。

3.2 仿真結果

圖4中示波器1中的波形為電網電壓，如圖6所示。由圖6可知，三相電網電壓的峰值電壓為311 V，三相相位互差120°，頻率50 Hz。

圖4中示波器3的波形為并網系統中電網電流，如圖7所示。由圖7可知，電流滯環控制的給定信號與電網電壓同頻同相，幅值呈正弦規律變化，仿真中將其峰值設定為15 V。

圖4中示波器4的波形為電流滯環控制三相并網系統輸出電流，如圖8所示。圖4中示波器2的波形為電網電流和逆變系統的并網電流的比較圖，如圖9所示。由圖9可看出，并網電流能夠實時快速地跟蹤電網電流，其最大偏差小于±0.05 A。電網電壓與并網電流的仿真波形如圖10所示。上述仿真結果驗證了電流滯環控制能夠快速準確的跟蹤電網電壓的相位，實現功率因素為1的并網電流輸出。

4 結論

并網逆變器是光伏并網發電系統的關鍵設備之一，光伏并網逆變器的控制目標是實現輸出電流對給定指令電流準確快速的跟蹤。本文研究的電流滯環跟蹤控制的三相光伏并網系統具有系統穩定好、電流跟蹤性能好，響應快、不需要載波，能夠實現功率因素為1的并網電流輸出。仿真驗證了設計方案的可行性和有效性。

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