光伏并網逆變器控制策略的仿真與試驗研究

張浩 劉文達 蔣煒

（中國船舶重工集團公司七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

當前，隨著石油能源的高度消耗，能源危機愈來愈盛，同時石化能源的開采、運輸和利用對環境的影響和破壞也不容忽視。世界上主要發達國家都開始重視可再生能源的利用和研究。所有再生能源中，光伏發電是利用最靈活、最可行的一種能源。因此，在我國政府的高度重視下太陽能光伏并網發電也被列入了重點扶持的范圍。光伏并網發電是利用太陽能發電的一種有效方式，光伏并網發電系統需要采用并網逆變器作為電能轉換裝置將光伏陣列所輸出的直流電變換成交流電送入電網[1]。

光伏并網發電系統的核心是并網逆變器，其控制系統的好壞直接影響整個系統的性能。為了達到并網逆變器輸出電流的幅值與相位可控并可快速跟隨電網電壓實現能量回饋的目的，一般采用電流內環及電壓外環的雙閉環控制結構，其中電壓外環用于控制逆變器的輸出電壓， 電流內環實現網側電流的波形和相位控制，電流內環的動態性能直接影響電壓外環的控制性能和穩定性。因此，本文通過在同步坐標系中將三相交流電流分解變換成直流量，分別對有功電流和無功電流控制的基礎上，采用基于空間矢量的調制方式控制并網電流，相對與采用滯環控制方式具有實時控制、電流響應快、輸出電壓電流波形不含特定次諧波等優點，且功率器件的開關頻率固定的優點。控制框圖如圖1所示[2]。

圖1 三相VSR p-q解耦矢量控制法結構框圖

2 光伏并網系統原理

系統的基本控制過程如下：首先，控制系統將采集到的并網逆變器輸出三相電流ica、icb、icc經過Clark變換和Park變換后，分解為有功電流量和無功電流量，再與指令電流比較后經過 PI電流調節器后生成新的逆變器控制指令；由于并網逆變器通常需要控制為單位功率因數運行，因此，令無功電流為零，而有功電流的指令由MPPT控制器給出。為使并網系統的有功功率輸出達到最大，須采用鎖相技術控制輸出電流的頻率和相位與電網電壓嚴格同步，此時采集電網電壓eca、ecb、ecc，利用式(1)將所測得的電網電壓進行變換，然后采用相應算法利用反正切函數求得電網矢量電壓旋轉角度θ，θ角為同步旋轉d-q坐標系下q軸與電網A相坐標軸之間的角度。見圖2[3]。

在靜止三相 ABC坐標系下，三相電流并網狀態方程可由下式（2）來描述：

圖2 靜止ABC與同步旋轉d-q坐標系間的變換

式中忽略電感內阻R。

為了實現有功電流和無功電流分別控制的目的，將基于靜止ABC坐標系的并網方程（2）變化為同步d-q坐標系下的狀態方程（3）。這樣所有的交流量變換為直流量，有利于PI電流調節器對并網電流進行閉環控制。

式中，下標d、q代表d-q軸參數量；ω為電網基波電壓旋轉角度。

假設三相電網電壓為不含任何諧波的正弦分量，應用Park變換可得d-q坐標系下[4]：

式中，V為電網每相電壓的峰值。

再根據三角函數的關系，在同步旋轉d-q坐標系下，三相光伏并網系統輸送到電網的有功和無功功率為：

再結合上式（2-4）可得：

根據上式（6）可知，光伏并網系統輸出到電網的有功功率依據d軸電流id進行調節，輸送到電網的無功功率依據q軸電流iq調節。因此在同步旋轉坐標系下通過對d-q軸電流分別控制就可以實現光伏并網系統輸送到電網的有功和無功的解耦控制并且可通過控制d軸id電流，調節光伏陣列輸出電壓實現光伏并網系統的轉換效率，間接提高了系統的經濟效益，同時控制q軸電流iq為 0，可以使光伏陣列通過電壓源型逆變器輸出并網電流完全與市電電壓相位相同，功率因數為1[5]。

3 電流調節器的設計

光伏并網逆變器的控制目標是實現輸出電流對公用電網電壓波形快速準確跟蹤，為了獲得期望的穩態和動態性能指標，光伏并網逆變器的電流調節器需要具有很好的隨動性能，快速的跟蹤電流控制環的給定信號。本文根據調節器設計特性選擇典型I型系統設計內環PI電流調節器[6]。

在時域內PI調節器的傳遞函數為：

式中:Kip為比例系數，Kil為積分系數，

由圖1可推導得，并網逆變器電流控制環的開環傳遞函數為[7]：

式中:K為逆變橋放大系數，Kf為電流反饋系數，τa為輸出濾波器時間常數，τS為開關周期，τf為反饋濾波時間常數。

加入電流調節器后的PI校正環后，可以推導得電流環開環的傳遞函數為：

考慮到電流內環需要有較快的電流跟蹤特性，按典型I型系統設計，消去一對零極點，得出PI電流調節器應滿足[8]：

將式（10）代入式（9）得到校正為典型 I型系統的電流開環傳遞函數形式：

4 仿真驗證與比較

為了論證光伏并網控制策略的合理性，為10 kW 工程樣機的調試提供理論依據，我們以MATLAB7.1仿真軟件為平臺在SIMULINK中進行了原理仿真驗證。仿真系統設定：光伏電池額定直流電壓Udc=400 V，直流母線電容C=13400μF，輸出電抗器L=10 mH，輸出變壓器為Y/Δ結構、變比380/95，電網電壓U=380 V，頻率f=50 Hz，仿真步長1e-3。

假設并網逆變器正常工作時電網相電壓峰值311 V；外環MPPT給定電流有效值為70 A。并網時的輸出電流和電網電壓波形如圖3所示。

通過分析光伏并網逆變器的仿真結果，如圖4所示，可以知道：通過雙閉環控制，交流側的輸出電流接近理想的正弦波，交流側電流(方向為從逆變器往電網方向看)與電網電壓同相，輸出諧波THD值含量為3.02%，低于5%的國家標準，達到了單位功率因數運行。

圖3 并網時的輸出電流和電網電壓波形圖

圖4 并網時的輸出電流的諧波分析圖

5 結束語

本文通過對10 kW光伏并網系統進行了建模和仿真，并在仿真結果的指導下進行了相應的試驗研究。試驗結果表明，試驗與仿真結果基本吻合，從而驗證了基于SVPWM的雙閉環控制方法動態響應速度塊，輸出電流諧波含量低，功率因數高，可以實現無靜差跟蹤，不會對電網產生“污染”，做到了經濟、環保、節能，具有良好的經濟效益和社會效益。

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