光伏并網(wǎng)變流器控制策略要點分析

王哲俊+盛祎+殷海兵

【摘 要】近幾年，由于全球能源局勢不斷變化及國家政策大力支持，光伏發(fā)電及其并網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展。本文針對光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標，采用空間矢量PWM（SVPWM）電流控制方式，最后對光伏并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型做出詳細分析。

【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電系統(tǒng)；SVPWM；并網(wǎng)變流器

中圖分類號： TM615 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）35-0047-002

Analysis of Control Strategy of Photovoltaic Grid - connected Converter

WANG Zhe-jun1 SHENG Yi1 YIN Hai-bing2

（1.Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China；2.China Construction Excellence Management Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

【Abstract】In recent years， due to the constantly changing global energy situation and strong support from national policies， photovoltaic power generation and its grid-connected technologies are developing rapidly. In this paper， aiming at the control goal of PV grid-connected inverter， space vector PWM （SVPWM） current control method is adopted. Finally， the mathematic model of PV grid-connected inverter is analyzed in detail.

【Key words】Photovoltaic power generation system； SVPWM； Grid-connected converter

0 引言

并網(wǎng)變流器是把PV陣列產(chǎn)生的直流電變換成符合電網(wǎng)指標的交流電同時供給電網(wǎng)的部件，也就是電力電子技術(shù)中的有源逆變器，它是并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)功率變換和控制的關(guān)鍵。并網(wǎng)變流器在轉(zhuǎn)換能量的同時能夠控制轉(zhuǎn)變后交流電的電流、電壓、頻率、有功功率、無功功率等。對網(wǎng)側(cè)的跟蹤控制是整個功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)系統(tǒng)的控制關(guān)鍵，它對系統(tǒng)輸出電能的質(zhì)量和系統(tǒng)的運行效率存在直接影響。

1 電壓型并網(wǎng)變流器控制策略的分析比較

光伏并網(wǎng)變流器的控制策略是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制關(guān)鍵，電壓型變流器控制方式有電壓控制方式和電流控制方式兩種。前者控制電壓型變流器輸出電壓，后者控制電壓型變流器輸出電流。在電壓控制方式中，如果電壓型變流器輸出的電壓與公共電網(wǎng)電壓相位不同，則會在電路中產(chǎn)生環(huán)流，但是電壓型變流器的交流側(cè)在并網(wǎng)后只能測出電網(wǎng)電壓卻無法有效地控制輸出電壓的變化。而如果電壓型并網(wǎng)逆變器采用電流控制方式，則只需要控制電壓型變流器所產(chǎn)生的正弦電流就能實現(xiàn)跟蹤公共電網(wǎng)電壓，從而實現(xiàn)并網(wǎng)。綜合上述分析，電流控制方式操作更為簡單，使用也更為廣泛。

電壓空間矢量脈沖寬度調(diào)制（Space Vector PWM，SVPWM）控制策略，即磁鏈跟蹤控制技術(shù)，它是通過控制變流器空間電壓或電流矢量的切換實現(xiàn)對變流器控制的一種較新的控制方法。這種控制策略采用控制逆變器空間矢量的切換來獲得準圓形的旋轉(zhuǎn)磁場而拋棄了原來的正弦波脈寬調(diào)制法， 使得在對開關(guān)頻率要求不高的情況下，變流器也可以獲得相對SPWM更好的輸出特性。不過，由于空間矢量控制策略的計算量不小而且其復(fù)雜的計算將會影響到計算精度，所以它常常用于整流及控制電機等方面。

常規(guī)的SPWM的控制重點是調(diào)整變流器的輸出波形，以至在主功率器件開關(guān)頻率不高的情況下，不易得到品質(zhì)較好的輸出信號；即使提高主功率器件的開關(guān)頻率，電壓型逆變器的開關(guān)死區(qū)延時也會降低電壓利用率，不易獲得正弦度高的輸出波形。而與正弦波PWM對比，電壓空間矢量PWM具有以下幾個優(yōu)點：降低了器件的開關(guān)頻率；減小了電壓型并網(wǎng)變流器中IGBT的能耗；提高了動態(tài)響應(yīng)性能；易于單片微處理的實現(xiàn)；具有更好的輸出波形。因此得到了廣泛應(yīng)用。

根據(jù)上面的研究對比，對所分析的電壓型并網(wǎng)變流器而言，更適合采用空間矢量 PWM（ SVPWM）電流控制策略。

2 光伏并網(wǎng)電壓型變流器的數(shù)學(xué)模型分析研究

三相光伏并網(wǎng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，E表示電網(wǎng)電壓矢量，UL表示輸出濾波電感L上電壓矢量，I表示變流器輸出的電流矢量，Ui表示變流器輸出的電壓矢量，R為輸出濾波電感L上等效內(nèi)阻，得出三相光伏并網(wǎng)電壓型變流器交流側(cè)的穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系為：

Ui=UL+UR+E

由于穩(wěn)態(tài)時I的大小不變，則UL的大小也不變，此時變流器交流側(cè)電壓矢量的端點運動軌跡形成一個以電網(wǎng)電壓矢量E的端點為圓心，以UL的大小為半徑的圓。因此如果控制變流器輸出電流矢量的大小和相位追蹤電網(wǎng)電壓矢量，就可以控制并網(wǎng)變流器的有功功率和無功功率，從而實現(xiàn)電壓型變流器的并網(wǎng)控制。

在三相靜止坐標系abc下，通過分析電壓型變流器交流側(cè)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，得出電壓方程如下：

Uiabc-Eabc=IabcR+L■（1）

其中，矢量Xabc=（xa，xb，xc），x表示對應(yīng)的物理量，各下標表示坐標系abc中各相的變量，而Xabc∈（Eabc、Uabc、Iabc）。endprint

當(dāng)只研究三相平衡系統(tǒng)時，系統(tǒng)中只有兩個自由度，也就是說，根據(jù)變換前后功率守恒原則，此時的三相系統(tǒng)就可以進行一定的坐標變換簡化為兩相系統(tǒng)，即

Xaβ=TXabc（2）

式中T-變換矩陣，

T=■0 -■ -■0 ■ -■；

Xαβ-矢量，Xαβ=（XaXβ）T

其對應(yīng)的逆變換為Xabc=T-1Xαβ，把式（2）代入（1）式并化簡如下：

Uiaβ-Eaβ=IaβR+L■（3）

然后進行一定的坐標變換將兩相靜止αβ坐標系下的數(shù)學(xué)模型變換成兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系dq下的數(shù)學(xué)模型如下：

Xdq=T（θ）Xαβ（4）

式中T（θ）-變換矩陣，

T（θ）=cosθ sinθ-sinθ cosθ

θ為a軸與d軸的夾角；Xdq-矢量，Xdq=（XdXq）T。聯(lián)立式（3）和式（4）并進行相應(yīng)的數(shù)學(xué)變換得出：

Uidq-Edq=L0 ω-ω 0Ldq+L■+IdqR（5）

式中ω-同步旋轉(zhuǎn)角頻率，且ω=■。

在零初始條件時，對式（5）進行拉氏變換，就得出系統(tǒng)在dq兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下電壓型變流器頻域的數(shù)學(xué)模型如下：

Ud（s）-Ed（s）-Lω0Id（s）=（sL+R）Id（s）Uq（s）-Eq（s）-Lω0Iq（s）=（sL+R）Iq（s）（6）

在式（6）中，在ω0是電網(wǎng)電壓基波旋轉(zhuǎn)角頻率時，稱dq兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系是基于電網(wǎng)電壓矢量定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標系。電壓型變流器輸出的瞬時有功功率p和無功功率q如下：

p=■（edid+eqiq）q=■（ediq-eqid）（7）

又因為dq兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系在跟蹤同步電網(wǎng)電壓時，有eq=0，ed=|E|，所以上式（7）可化簡如下：

p=■edidq=■ediq（8）

如果忽略電網(wǎng)電壓波動所產(chǎn)生的不利影響，則ed的值保持恒定，從而上式（8）中電壓型變流器輸出的瞬時有功功率p僅與電壓型變流器輸出電流的d軸分量成正比，無功功率q僅與電壓型變流器輸出電流的q軸分量iq成正比。由此得出，在電網(wǎng)電壓不變的情況下，就可以通過控制id、iq達到跟蹤控制電壓型變流器輸出的有功功率p和無功功率q的目的。

3 結(jié)論

本文首先概述了電壓型并網(wǎng)變流器控制策略，并結(jié)合電壓型并網(wǎng)變流器的控制目標分析了當(dāng)下應(yīng)用較多的三相并網(wǎng)變流器控制策略，在對比它們各自的優(yōu)缺點后，文章中采用空間矢量PWM（ SVPWM）電流控制方式，最后詳細分析了光伏并網(wǎng)電壓型變流器的數(shù)學(xué)模型。

【參考文獻】

[1]張興，曹仁賢，等編著.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.9

[2]黃勇.三相電壓型PWM整流器的研究與設(shè)計[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

[3]彭智剛.蓄電池充放電裝置用三相PWM整流器的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2007.

[5]孫建華.風(fēng)光儲輸發(fā)電站中雙向變流控制策略設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué)，2011.

[6]徐正文.三相光伏并網(wǎng)逆變器的研制及SVPWM算法的實現(xiàn)[D].天津：天津理工大學(xué)，2013.

[7]何娣.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].西安：長安大學(xué)，2013.

[8]劉立強.三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究[D].廣州： 廣東工業(yè)大學(xué)，2008.

[9]齊樂.單相光伏并網(wǎng)逆變器的研究與設(shè)計[D]. 西安： 西安科技大學(xué)，2011.

[10]趙振波.三相電壓型PWM整流器及其控制策略研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2002.endprint