PWM型光伏并網逆變器的雙閉環控制系統設計及仿真研究

劉建，冉玘泉

(西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031)

1 引言

隨著工業進程的加快，能源消耗越來越大，常規能源供給的有限性和環保壓力的增大，促使人類去開發和利用新能源，太陽能具有很多常規能源所不具有的優點，被認為是21世紀最重要的新能源，因而光伏發電被認是綜合緩解能源問題和環境問題的一種重要技術途徑［1－2］。逆變器作為光伏發電系統的核心，為了實現高效利用太陽能，對光伏并網發電系統中逆變器的控制方法進行研究具有實用價值。逆變器并網發電的主要控制問題是使逆變器輸出與電網電壓同頻、同相的正弦波電流，并能跟隨并網容量給定值，而且要求電流畸變滿足相關要求，控制諧波對電網的不利影響。目前研究比較成熟的控制方法有滯環控制技術、三角波控制技術，無差拍控制技術等。滯環控制方法硬件電路十分簡單，屬于實時控制方式，電流響應很快，不需要載波，輸出電壓中不含有特定頻率的諧波分量［3］。三角波控制方式輸出含有與載波頻率相同的高次諧波，且電流響應比瞬時值比較方式慢［4－5］。無差拍控制［6］可以在有限拍的時間內跟蹤到給定的狀態變量，具有非常快速的動態響應能力。雙閉環控制通過雙環實現了雙極點配置，系統中兩個狀態變量都是閉環狀態，這很大程度上增強了系統穩定性［7］。

2 并網光伏發電系統

光伏發電系統一般由以下幾部分組成:光伏陣列、電子電力設備和并網裝置，此外還有一些輔助設備［8］。光伏方陣由太陽能電池組件按照用戶設計需求經串并聯組成，其將光能轉換為電能，它是光伏發電系統的核心部件，直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。由于光伏電池的輸出電壓，輸出電流較低，因此在實際中，需要通過對多個小單位的光伏電池的串、并聯交替組合，同時將光伏陣列模型接入升壓電路中，以便得到期望的直流電壓或者是電流。逆變器是將直流電變換為交流電的電力變化裝置。控制器是整個光伏發電系統的核心控制部分。并網光伏發電系統在逆變之后將能量傳送給公用電網。由于逆變器與電網并聯，所以必須保持兩組電源電壓、相位、頻率等電氣特性的一致性，否則會造成兩組電源相互間的充、放電，引起整個電源系統的內耗和不穩定。并網光伏系統的結構如下:

圖1 并網光伏發電系統結構圖

基于Boost變換器的10KW的光伏并網發電系統的電路拓撲如下所示:

圖2 光伏并網發電系統拓撲圖

3 電流內環電壓外環的雙閉環控制

全橋PWM并網逆變器是具有電流控制特性的電壓型逆變器。通過對交流并網側電感電流的控制來實現高品質的并網電流和單位功率因數控制，內環采用固定開關頻率直接電流控制，并用典型Ⅰ型系統進行設計。同時，為了使電壓型逆變器穩定運行，必須對直流電壓進行閉環控制來穩定直流電壓。

3.1 電流內環的控制設計

電流內環的控制框圖［9］如圖3所示。

圖3 電流內環控制框圖

框圖中電網電壓在電流控制結構中屬于擾動量，會影響系統的動態跟蹤性能，因此在內環系統中加入電網電壓前饋控制以增強系統的抗擾性。由逆變器PWM增益特性，為了抵消電網電壓，要滿足

式中Kf為前饋系數，Tpwm為逆變器調制開關周期，Kpwm為逆變器增益。

如果忽略PWM逆變器對象的時間常數，則可得到前饋系數為:

考慮前饋，則電流內環的開環傳遞函數為:

為了保證電流環有很好的跟隨性，按照典型Ⅰ型系統設計，其調節器為比例調節器Kip，加入比例調節器后電流內環開環傳遞函數為:

根據典型Ⅰ型系統的設計，系統阻尼為

內環通過典型Ⅰ系統的設計，在穩定的基礎上具有快速的跟隨性。

3.2 直流電壓外環的控制設計

直流母線電壓太低，不能滿足電壓型逆變器的交、直流變比關系，太高會損壞電容和開關管，因此要對電壓外環進行控制，使直流側電壓穩定。

在功率因數為1的條件下，不考慮能量損耗，根據能量關系得

式中Uo、Io為逆變輸出電壓和電流的有效值，Udc、Idc為直流側的電壓和電路。

根據上式可得到

K1為交流側電流與直流側電流的比例系數。根據電流環的控制框圖，可以得到電流環閉環傳遞函數

由于逆變系統中開關頻率一般很大，Tpwm很小，上式中分母的第一項遠遠小于第二項，忽略S2項，簡化得到電流內環的傳遞函數為

可得到電壓外環的控制系統的框圖如所示。

圖4 電壓外環控制框圖

在穩態時，將光伏電池板看作是恒流源，有主電路拓撲的直流電容電流為

其中Id1在控制結構中相當于擾動量，在穩態條件下不影響調節器參數的選擇，設電壓外環中調節器的傳遞函數［11］為

式中Kdp為電壓調節器的比例系數，τd為電壓調節器的時間常數。根據電壓外環系統的方框圖，將電流內環等效為其閉環傳遞函數，可以得到電壓外環的開環傳遞函數為

上式中C為直流側電容

根據典型Ⅱ型系統的設計原則，假設Ⅱ型系統的開環傳遞函數為

那么就有

將H(s)與W(s)作比較，可得到

根據以上的算式可推導出電壓調節器的參數為

把典型Ⅱ型系統跟隨和抗擾等各項性能指標綜合起來看，取h=5是一個合適的選擇［12］。

4 基于Matlab/Simulink/仿真

4.1 電流內環的仿真

圖5 電流內環仿真圖

仿真波形如圖6所示。

由仿真結果可見電流內環能夠按照給定的參考值輸出相應的波形，有較好的跟隨性。

4.2 電壓外環仿真結果

光伏陣列的輸出電流隨著光照強度的變化而變化，在仿真中用有波動的電流源代替光伏陣列部分，其仿真圖如圖7所示。

圖6 并網電壓與輸入電網電流波形

圖7 光伏并網逆變仿真結構圖

仿真中電容初始值設定為500，為實現10kW功率并網，要求光伏輸出的平均值為20A，因為在某一個時間段內，環境緩慢變化，所以光伏陣列的輸出電流變化慢，幅度變化小，為模擬光照強度對光伏輸出電流的影響，可控電流源的輸入設定為一個正弦信號，一個基值為19，振幅為1.414，頻率為1的正弦信號。電容可根據紋波電壓以及并網功率確定。

電網電壓、電網電流、比例積分環節、直流側電壓、光伏電流的輸出波形如下:

定性分析如圖8所示。

當實際電壓大于參考電壓時，誤差信號為正，通過比例積分環節后，得到的值大，此時的參考電流幅值大，得到的并網電流大，根據能量守恒的原則，此時直流側逆變電流也大，那么流過直流側電容的電流相應減小，從而實際電壓降低。

同理，當實際電壓小于參考電壓時，誤差輸出信號為負，通過比例積分環節后得到的值減小，即電流的參考值減小，得到的并網電流小，流過直流側電容的電流增大，從而實際電壓增大。

綜上，電壓外環能夠使直流側的電壓穩定在參考值。

仿真結果表明，雙閉環的控制方法能夠實現并網電流與電網電壓同頻同相，電流內環中電流有較好的跟隨性，且直流側電壓可以很好的穩定在500V。

圖8 仿真輸出結果圖

5 結語

本文只是對兩級式的單相光伏并網逆變器的控制策略作了理論研究和基本仿真的驗證，如果將光伏并網逆變器應用到實際中，還需要對光伏陣列、光伏并網逆變器做更加深入的研究和探索，進一步對光伏并網逆變器進行完善和提高。逆變器控制方法的研究，對于風能、太陽能等新能源的普及意義重大，它可促進環境改善、緩解能源危機，產生巨大的社會價值。

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