單相光伏并網逆變器控制策略的研究

吳馥云，黃其新，楊正理

（三江學院機械與電氣工程學院，江蘇南京， 210012）

單相光伏并網逆變器控制策略的研究

吳馥云，黃其新，楊正理

（三江學院機械與電氣工程學院，江蘇南京， 210012）

光伏并網逆變器是并網發電系統進行電能變換的核心，本文基于單相全橋逆變器選取雙極性SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)控制策略，并在此基礎上進行了閉環設計。該方法運算簡單且便于數字化實現，仿真波形表明該控制策略能夠得到高質量的輸出正弦波交流電，并且實現與電網的電壓同一頻頻率及同一相角，從而使得系統功率因數近似為1，仿真驗證了該方法的有效性。

光伏；并網；單相全橋逆變器；雙極性SPWM

0 引言

為了達到能源的可持續發展的目的，世界許多國家都將太陽能發電作為發展的重中之重，在各國政府的政策支持下，光伏產業得到了迅速的發展。在發展應用太陽能發電的道路中，人們過多的把焦點聚焦在了如何提升光伏電池的效率上。但另一個不能忽略的重要問題是，如何設計將電池產生的直流電高效率地轉換成交流電的電路，這對光伏產業的發展起至關重要的作用。太陽能光伏發電系統可分為兩種模式：一種是獨立系統，第二種是光伏并網發電系統，而太陽能利用的主要形式還是光伏并網發電系統[1]。光伏并網發電系統的工作原理是通過控制逆變電路中各個功率器件的通斷順序及時間，實現將光伏電池陣列輸出的直流電變換為滿足并網條件的交流電并實現并網。光伏并網發電逆變器運行的主要技術難題是如何控制逆變器各橋臂功率器件的工作實現輸出正弦交流電（即并入電網的電流）。逆變電路的控制目的是要求并網電流能實時檢測到待并電網的電壓頻率、相位和系統容量的變化并準確的進行跟蹤，且還要求并網電流的畸變率要小，使其對電網的諧波影響降低到最小。

本文研究利用反饋型閉環控制方案來實時控制并網電流，經過采樣計算得到的并網電流正弦給定值與實際采樣得到的電流經過比較器比較后得到差值信號，再經反饋閉環控制環節處理后得到正弦波，該正弦波作為調制信號再與載波比較后得到控制各橋臂的SPWM信號，從而間接的控制使得并網電流的波形為與電網電壓同一頻率同一相角的正弦波。

1 光伏并網系統電路模型

圖1為光伏并網系統主電路拓撲圖，將光伏電池陣列用恒流源來代替，電池陣列的電壓為UDC。該拓撲的控制目標是使得系統輸出的正弦交流電的特性即頻率和相位與電網電壓的頻率和相位基本保持一致。光伏電池可以看成一個恒流源，所以電流大小決定于該電池陣列的功率。圖1中T1、T2、T3、T4所在的支路為單相逆變橋的四個橋臂，每個開關管都反并聯一個二極管，該二極管起著續流的作用。四個開關管交替工作產生相角差互為180°的SPWM雙極性脈沖，再經濾波電感L濾波后得到并入電網u的高質量的正弦交流電。四個橋臂交替工作的過程中后級濾波環節中的濾波電感L上的電感電壓出現了正值、負值和零三種情況。這里以待并入電網的并網電流的正半周期為例：當開關管T1、T4導通時，功率由電池陣列流入大電網，此時電感電流方向為圖中所示的參考正反向，所以電感電壓為正，電感L儲能；同理當開關管T1、T3導通時，電感L經T1、D3短路放能，電池陣列給穩壓電容C進行充電，電感L上的電感電壓為零；當功率開關管T2、T3導通時，加在電感L上的電感電壓為負，電感電流從二極管D2、D3續流。同理當并網電流是處于負半周期時，工作原理與上述分析一致[2]。

圖1 并網主電路拓撲

2 系統控制原理分析

2.1 SPWM調制方法

光伏并網逆變電路的控制目的是并網電流與電網電壓基本實現同頻、同相角。于是，獲取參考電流并使逆變器的輸出為參考值，成為算法的關鍵所在。不同的控制策略對于電流的跟蹤性能是不一樣的，目前應用最多的控制方法主要有電流滯環比較和SPWM調制控制方式等。電流滯環控制方式的優點是響應快，硬件電路設計簡單，且輸出波形中不含有特定高頻諧波分量，缺點是它是一種變頻控制方式，對后級濾波器的設計帶來了難度；PWM(Pulse Width Modulation)控制策略在逆變器當中的應用的最廣泛，對逆變器的作用也最為重要。而這兩種方式中現在應用的多的大多數都是PWM型的逆變電路。

以正半周期為例，將正弦調制波看成是由N個彼此相連的脈沖，但脈沖頂端是連續的且大小按正弦波變化。根據面積等效原理，可將這N個脈沖利用相等個數的等幅而不等寬但面積相等的矩形脈沖替代，使其中心和對應的正弦波序列的中心重疊，該矩形脈沖序列與上述正弦波序列產生的效果是相同的，這就是SPWM波形。負半周期同理。

根據一個開關周期內脈沖序列是否出現正負兩個電位，可將SPWM方式分為單極性和雙極性。單極性方式在調制波過零點處的脈沖并不是一個完整的開關周期，不能完全交結，有可能出現三角波的頻率不是調制波頻率的整數倍的情況。因此本文選擇雙極性調制，控制方法較為容易實現。

2.2 閉環控制方案的設計

圖2 控制框圖

光伏發電系統控制目標：幅值方面的要求是并網電流Ig的大小跟隨給定的基準值，相位方面的要求是并網電流能準確地跟蹤電網電壓的初相位，這里提出了如圖2所示的控制原理圖，將并網電流的參考值I與由鎖相環環節分解得到的電網電壓 Ug的初相位信號相乘后得到電流參考值Iref，再通過電流閉環控制環節，使得并網電流實時跟蹤參考給定值Iref，作為調制波與載波交結后產生 SPMW波驅動S1-S4功率開關管。

如果圖2中不加PI環節，系統開環傳遞函數為：

本文取 RL=2Ω，Tpwm=100μs，L=0.004H，a=45，Kpwm=20。作出系統的頻響特性曲線，圖3為系統幅頻和相頻特性的Bode圖。從圖3可以看出，采用PI控制之前系統的相角裕度小，穩定性較差。

圖3 系統逆變環節波特圖

在實際的工程案例中，廣泛使用的調節器主要為三種：比例、積分、微分控制，即通常所說的PID控制。PID調節器是三種控制方式都用，PI調節器是只有比例和積分環節；和PD調節器是只有比例和微分環節。

加入PI控制環節后，PI調節器的比例常數用KP表示，積分常數用KI表示。為使PI調節器能夠消除并網發電系統中的較大的時間常數，可選擇

因此，得到控制系統的開環傳遞函數為：

取開關周期Tpwm=100us，代入上式中得到校正后的開環傳遞函數為：

閉環傳遞函數為：

圖4 校正后開環系統bode圖

圖5 校正前后閉環系統的階躍響應曲線

根據以上公式可以得到加入PI調節器后的開環系統Bode圖如圖4所示，由圖4可以看出，加入PI調節器后開環系統是穩定的，其開環傳遞函數的相角裕度是65.5302o，滿足設計的要求。從圖5（a）可以看出，對逆變系統如果不進行控制，則該逆變系統存在原理性的穩態誤差，是一個有差系統，而且系統響應時間較長，大約需要11ms才穩定。從圖5（b）可以看出加入PI調節后，響應的上升時間約為0.3ms，比開環控制減少了40倍，超調量為4.32%，調節時間為0.85ms，穩態誤差為0，系統性能得到了大幅度提高。

3 仿真分析

為了對太陽能光伏并網系統理論分析進行驗證，本文采用了功能強大的仿真軟件 MATLAB 對系統進行仿真。MATLAB/Simulink功能強大集建模仿真、繪圖等于一體，其中的電源系統工具庫（SimPowerSystems）為電力系統仿真提供了標準模塊。本文在Matlab/Simulink平臺上對所設計的系統進行了仿真研究。重要變量的仿真參數設置為：并網電流給定值Ig=13.63A；并網電流最大值Im=20A；電網電壓Ug=220V/50HZ；直流母線電壓UDC=400V；直流母線電容C=3000uF；輸出濾波電感L=5mH；開關頻率fS=10KHZ；PI參數KP=1；PI參數KI=10。

根據控制結構圖搭建MATLAB仿真模型如圖6所示。

圖6 雙極性SPWM控制逆變器結構框圖

圖7 輸出并網電流和電網電壓的比較

仿真結果分析：圖7為逆變器的并網電流與電網電壓波形，電網電壓有效值220V并網電流有效值13.63A，經過濾波器電感L濾波后，得到了正弦度很好的正弦交流電流，與電網電壓同頻同相，此時，系統的功率因數為1。

4 結論

本文選取了雙極性SPWM控制方式。同時，建立了反饋型閉環控制數學模型，根據實際要求計算了PI參數的理論值。該方法能夠實現高質量的輸出正弦交流電，該正弦交流電與電網電壓同頻同相。在MATLAB平臺上對控制系統進行了建模與仿真，驗證了系統設計方案的可靠性與有效性。

[1]徐政,盧強.電力電子技術在電力系統中的應用[J].電工技術學報 .2004,19（8）:23～27.

[2]孔雪娟.數字控制PWM逆變電源關鍵技術研究[D].華中科技大學,2005.

[3]趙爭鳴,陳劍,孫曉瑛.太陽能光伏發電最大功率點跟蹤技術[M].北京:電子工業出版社, 2012.

[4]周德佳,趙爭鳴,吳理博等.基于仿真模型的太陽能光伏電池陣列特性的分析[J].清華大學學報(自然科學版).2007,07.

[5]MAO M, YU S, SU J. Versatile Matlab Simulation Model for Photovoltaic Array with MPPT Function [J]. Acta Simulata Systematica Sinica, 2005, 5: 058.

Research on control strategy of single phase photovoltaic grid connected inverter

Wu Fuyun,Huang Qixin,Yang Zhengli
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Sanjiang University, Nanjing Jiangsu, 210012)

The grid connected photovoltaic inverter is the core of electric power generation system can transform, this paper selects the bipolar single-phase full bridge inverter based on SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) control strategy, and on the basis of the closed loop design. This method is simple in operation and easy digital realization, simulation waveforms show that the control strategy can obtain high quality output sine wave alternating current, and the realization of the power grid voltage and the same frequency and the same phase, which makes the system power factor is close to 1, the simulation verifies the effectiveness of the proposed method.

photovoltaic; grid; single-phase full bridge inverter; bipolar SPWM

吳馥云，女，江蘇淮安人，助教，碩士，研究方向為電力電子變換技術。