單相光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究與設(shè)計(jì)

陸磊磊，羅耀華

（哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

0 引 言

光伏發(fā)電以其低碳、環(huán)保以及可以就地使用的特點(diǎn)，獲得了較快發(fā)展，在分布式發(fā)電中擁有較高的應(yīng)用價(jià)值。但是隨著光伏并網(wǎng)設(shè)備的不斷增多，并網(wǎng)電流諧波帶來的電網(wǎng)污染也越來越引起關(guān)注。本文提出了基于電流瞬時(shí)值控制和PID控制相結(jié)合的控制方法，可使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和較高的跟蹤精度。為使太陽能電池工作在最大功率輸出點(diǎn)上，并且有較快的跟蹤性，設(shè)計(jì)了一套優(yōu)化MPPT算法。論文所設(shè)計(jì)的單相光伏并網(wǎng)逆變器樣機(jī)采用ST M32F103型芯片作為控制核心來實(shí)現(xiàn)算法。使用三菱公司PM75RLA120型IPM作為功率器件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該逆變器具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

1 主電路研究

單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為如圖1所示的單級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中A為光伏電池陣列，B為基于ST M32的控制系統(tǒng)，C為IPM功率開關(guān)器件，D為EMI輸出濾波器和單相工頻變壓器。

通過控制器向光伏并網(wǎng)逆變器的左右兩個(gè)橋臂輸入單極性的PWM波形，光伏逆變器輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦波，經(jīng)電抗器L濾除掉載波高頻分量后輸出高質(zhì)量的正弦波饋入電網(wǎng)。

論文采用電流瞬時(shí)值控制方案，通過最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（Maxi mum Power Point Tracking）控制得到并網(wǎng)電流幅值基準(zhǔn)，再通過軟件鎖相技術(shù)得到電網(wǎng)電壓的相位，計(jì)算出電流瞬時(shí)值給定iref，通過PI控制和電壓前饋控制，得到PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)全橋逆變器的四個(gè)開關(guān)管。基于該控制方案的光伏并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流波形質(zhì)量好、功率因數(shù)高、諧波含量較低。

圖1 光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)框圖

光伏逆變器并網(wǎng)后，逆變器輸出電壓Uo被電網(wǎng)電壓箝制在有效值220 V，可視其為電流源。此時(shí)改變占空比D將會(huì)改變并網(wǎng)電流Is。通過最大功率點(diǎn)跟蹤獲得給定電流基準(zhǔn)Iref，與電網(wǎng)電壓信號(hào)相乘后得到實(shí)時(shí)的給定電流iref，通過PI調(diào)節(jié)和電網(wǎng)電壓前饋調(diào)節(jié)后得到PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)IPM。

2 并網(wǎng)電流的控制

系統(tǒng)采用了固定開關(guān)頻率的電流瞬時(shí)值控制算法。并網(wǎng)電流的控制框圖如圖2所示。

圖2 并網(wǎng)電流控制框圖

因?yàn)槟孀兤鏖_關(guān)頻率為20 k Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率，可將PWM逆變器單元視為一個(gè)前向通道增益環(huán)節(jié)Kspwm。R為濾波電感的等效串聯(lián)電阻。e－Ts為PWM輸出電路的延遲等效環(huán)節(jié)。Gf（s）為并網(wǎng)電流檢測環(huán)節(jié)。Gc（s）為PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：

由圖2可得到：在給定電流iref作用下，將電網(wǎng)電壓Un視為干擾量。控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

誤差量為iL＊

引入電壓前饋環(huán)節(jié)Gu（s）后，并網(wǎng)電流的控制框圖如圖3所示：

圖3 加入電網(wǎng)電壓前饋電流控制框圖

加入電壓前饋環(huán)節(jié)后，前饋運(yùn)算產(chǎn)生的U＊與電網(wǎng)電壓的差值在一個(gè)載波周期T內(nèi)積分為零即：

因此，加入電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)后，可以在每個(gè)載波周期內(nèi)消除電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)并網(wǎng)電流的影響，這樣在對(duì)電網(wǎng)電流的控制過程中，無需考慮電網(wǎng)電壓的影響，使系統(tǒng)簡化為無源電流跟隨系統(tǒng)，提高對(duì)電網(wǎng)電流的跟蹤精度。

由于系統(tǒng)硬件產(chǎn)生PWM波形有一定的延時(shí)，這個(gè)時(shí)間可以看作一個(gè)延時(shí)環(huán)節(jié)e－Ts。其中時(shí)間常數(shù)T即PWM的載波周期Ts。這個(gè)延時(shí)環(huán)節(jié)會(huì)影響到并網(wǎng)功率因數(shù)，并且增加電流諧波含量。因此在并網(wǎng)電流檢測環(huán)節(jié)里加入電流預(yù)估環(huán)節(jié)eTs，抵消前向通道中e－Ts的影響，達(dá)到校正并網(wǎng)電流的目的。

電流預(yù)估環(huán)節(jié)公式為：

其中I（tn）為本次載波周期內(nèi)并網(wǎng)電流采樣值，I（tn－1）和I（tn－2）為前兩次載波周期并網(wǎng)電流采樣值，根據(jù)上式，可以預(yù)估出下一載波周期內(nèi)并網(wǎng)電流的理想采樣值。引入此預(yù)估環(huán)節(jié)后有助于減輕硬件系統(tǒng)產(chǎn)生PWM波形延遲所帶來的有功功率因數(shù)降低問題。電網(wǎng)電流反饋環(huán)節(jié)Gf（s）的傳遞函數(shù)：

加入電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)和二階電流預(yù)估后系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

經(jīng)過系統(tǒng)穩(wěn)定性判斷可知：加入電網(wǎng)電壓前饋后和二階電流預(yù)估后，單相光伏并網(wǎng)逆變器仍是穩(wěn)定系統(tǒng)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能只與積分環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)Tc有關(guān)。

常用的數(shù)字PI主要有兩種：位置式PI和增量式PI。位置式的缺點(diǎn)就是積分飽和，當(dāng)控制量已經(jīng)達(dá)到最大時(shí)，誤差仍然在積分作用下繼續(xù)累積，一旦誤差開始反向變化，則系統(tǒng)需要較長時(shí)間從飽和區(qū)退出。而增量式PI不存在這個(gè)問題。由上式，增量式PI不存在累計(jì)誤差，控制更為簡單，也就簡化了控制算法。本文采用增量式PI調(diào)節(jié)方式。

3 最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）

逆變器設(shè)計(jì)的最大功率點(diǎn)跟蹤通過一種優(yōu)化后的擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法跟蹤方法簡單，調(diào)節(jié)精度高，所需采集的模擬量少，但是跟蹤速度慢，只適用于外部光照環(huán)境變化較為平緩的情況。而本設(shè)計(jì)優(yōu)化了擾動(dòng)觀察法，可適應(yīng)外部光照變化較大的環(huán)境。通過多次實(shí)測統(tǒng)計(jì)：光伏電池在最大功率點(diǎn)處電壓約在開路電壓的75%～90%之間，據(jù)此可以優(yōu)化MPPT算法。優(yōu)化后的MPPT算法流程如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

制造了一臺(tái)5 k W單相光伏并網(wǎng)型逆變器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)的主要參數(shù)為：濾波電感2.5 mH，功率開關(guān)的開關(guān)頻率為20 k Hz。逆變器并網(wǎng)輸出電流為10 A時(shí)的逆變器輸出電流波形和電網(wǎng)電壓波形如圖5所示。其中A為電網(wǎng)電壓波形，B為并網(wǎng)電流波形。在較小的并網(wǎng)電流情況下的電流及電壓波形如圖6所示：

圖4 優(yōu)化的MPPT控制流程圖

圖5 逆變器輸出電流波形與電網(wǎng)電壓波形

圖6 較小的輸出電流波形與電網(wǎng)電壓波形

由圖可知：電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流相位頻率一致，在小并網(wǎng)電流情況下依然滿足現(xiàn)場使用要求。

5 結(jié) 論

本文采用了固定開關(guān)頻率的電流瞬時(shí)值控制技術(shù)，加入了電壓前饋控制及二階電流預(yù)估環(huán)節(jié)，成功地研制出基于ST M32的5 k W單相光伏并網(wǎng)逆變器。該逆變器具有良好的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)性能。通過優(yōu)化了MPPT算法，使逆變器穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)上，適應(yīng)較寬的光照變化范圍和良好的快速性。

［1］ 林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2002.

［2］ Woyte A，Bel mans IL Nijs J.Islanding of grid－connected AC module inverters［C］.Proc.28th IEEE Photovoltaic Specialists Conf.Anchorage.AK：IEEE.2000：1683－1686.