無差拍控制在光伏發電并網逆變器中的應用

趙湘津 王世榮 高勝昌

摘要：輸出波形作為一個評判逆變器優劣的標準之一，已經有很多相關的控制策略。無差拍控制作為一種受干擾影響小，控制過程不會出現過沖且開關頻率不變等優點的控制方式，已經在很多方面得到應用。本文首先對無差拍原理進行分析，并對獲得PWM的占空比過程進行了推導，給出了參考電流的得到方法，最后在MATLAB上就所得系統進行建模仿真。

關鍵字：無差拍、逆變器、matlab、占空比

中圖分類號：TM464 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（a）-0000-00

1、引言

光伏發電系統的逆變部分做為其主要部分，歷來是研究重點。目前，國際上知名的光伏發電系統制造商都擁有自己特點的逆變器研究成果，在控制方式和電路拓撲結構方面都有各自的優點。光伏發電系統的性能好壞受逆變部分的效率和性能的影響也最大。

現在已經有了很多關于電流的控制方式無差拍控制方法與這些方法相比，最大的有點就是受外部信號干擾小，可以實現無過沖的控制過程。基于以上優點，逆變部分的控制方式采用無差拍控制，對于系統逆變部分的性能和效率也有很大的改善。

當前，已經有了很多基于電流的控制策略，而無差拍控制不但在很多工作條件下性能可靠，而且在控制過程中沒有過沖現象，還受外部干擾影響小，基于這些優點，提高了系統輸出電能的質量。

2、無差拍控制在光伏逆變器中的應用

2.1、無差拍控制原理

利用系統狀態方程以及對系統當前采集到的數據，通過計算可以得到下一周期開關的控制量，來實現輸出量對輸出量的跟蹤目的，這就是無差拍控制。詳細來說，對于每一個采樣周期的控制量（脈寬控制量），都是通過系統的狀態方程，由對下一采樣周期的預估值和當前的狀態向量計算出來的。所以對系統的實時運算的能力，該控制方式有著很高的要求。設連續系統方程為：

（1）

若第k次時刻的脈寬量為，直流側的電壓為E。X（k+l）用預估參考狀態代替，則上式可變為如下形式：

（2）

通過式（2）可以得到脈寬量，而且可以在第k時刻輸入PWM發生器，得到想要的PWM波。因此，如果在第k次采樣周期內能夠對下一次采樣周期的參考狀態進行預估，那么根據上面的算法，在第k+1次采樣周期的狀態代替參考狀態，達到無差拍控制的目的。

2.2、逆變器數學模型

單級式三相光伏逆變器主電路圖1所示。其中u為電網電壓；i為逆變器輸出電流；電路的等效電阻是R；濾波電感是L；直流側母線電壓是Udc；直流側母線電容是C。

圖1 主電路結構圖

在以下條件下對上面的電路數學建模：

（1） 電網電壓為理想電壓（純正弦且三相平衡）；

（2） 濾波電感為不用考慮飽和的線性電感；

（3） 功率器件為理想開關。

為了不考慮高頻分量，能夠直接用于控制器設計中，本模型采用占空比的描述形式。設逆變橋的開關函數為：

所以上述電路可以表達為如下形式：

（3）

將上面方程離散化。假設、、分別是第k個周期采樣電流的參考值，T是采樣周期，現在令逆變橋各相的占空比為、、，、、。因為電網基波頻率只有50Hz，而系統的控制頻率通常都有數千兆赫，所以在一個控制周期里，我們一般可以不考慮光伏陣列端電壓和電網三相電壓的變化，這樣方程離散化后可變為如下形式：

（4）

我們可以注意到式（4）各方程不獨立，只是兩兩獨立，這里我們設該逆變橋上、下橋臂的開關器件總導通時間相等，則我們可以得到式（5）：

（5）

聯立式（4）、式（5）可有：

通過上式就可以求得PWM的占空比：

按照上式計算求得的占空比就能夠該系統逆變橋實現要求的控制目的。

3、三相逆變器仿真及結果分析

為了驗證前面數學模型的性能，在 Simulink 在建立仿真模型，其主電路結構同圖2。系統主要參數：

圖2 單級式三相光伏逆變器仿真模型

通過上面的模型，可以發現控制頻率為5kHz時，對輸出電流控制的效果最好。采用無差拍PWM控制時，光伏并網逆變器輸出三相電流及A相電流跟蹤電網電壓如下圖：

圖3 逆變器輸出三相電流

圖4 A相電流對電網電壓進行跟蹤

4、結論

從上面的仿真結果可以得到，無差拍控制應用到逆變橋開關量控制的效果很好，不但并網波形好，而且控制的精度也高，能夠完成逆變器單位功率因數并網運行，是一種不錯的并網控制策略。

參考文獻

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