一種單相光伏系統逆變器的雙環控制

李曉康，李　潔

(青島大學 自動化與電氣工程學院，山東 青島 266071)

0　引　言

電壓型逆變器的儲能電容與電流型逆變器的儲能電感相比具有體積小和價格低的優點，因此在單相光伏系統中得到了廣泛的應用[1]。對逆變器采用雙環控制方式是高性能逆變電源的重要發展方向[2]。其中，電流內環采用P調節器，擴大了逆變器控制系統的帶寬，使得逆變器具有動態響應快，非線性負載適應能力強以及輸出電壓諧波含量小的優點。電壓外環的控制器采用PI調節器[3]，加入電壓均方根值回路提高了電壓調整率。通過仿真分析可以證明在雙環控制下的電路可以產生良好的并網電流。

1　逆變電路工作原理及模型推導

單相光伏系統的電路拓撲及逆變器的控制框架如圖1所示，控制回路采用雙環控制，外回路采用直流電壓回路，以產生內回路的電感電流；內回路采用電感電流控制，以產生PWM的控制電壓。PWM是采用正弦式PWM(SPWM)方式，以產生開關的觸發信號，L-C為二階的低通濾波器，用以減小逆變器的高頻輸出項，使輸出電壓為高頻的正弦波。

由圖1可得：

(1)

(2)

圖1　單相光伏系統的電路拓撲及逆變器的控制框架

其中，SA和SB分別為全橋電路A橋和B橋開關的切換函數：

(3)

vconA和vconB分別為A橋和B橋的SPWM控制電壓。這里開關采用單極性電壓切換，因此可得：

vconB=-vconA

(4)

由公式(3)得：

(5)

式中，vtm是SPWM三角波的振幅。

把式(5)代入式(2)可得：

(6)

令

(7)

得：

(8)

公式(6)和公式(8)可以分別用于設計雙環控制中的電壓外環和電流內環回路。

2　控制回路設計

2.1　電流內環回路的設計

電流內環回路的設計如圖2所示，其中電力電路模塊根據公式(8)設計，kv和ks分別為電壓和電流增益。

圖2　電流內環控制回路

電流控制器G1采用P調節器，此時G1=k1，由圖2可得公式(9)：

(9)

上式中的ui為電流內環回路的帶寬，由此可得：

(10)

2.2　電壓外環回路的設計

電壓外環控制回路的設計如圖3所示，其中電力電路模塊利用公式(1)所設計。假設電流內環回路響應的帶寬是電壓外環回路帶寬的四倍以上，此時，電流內環回路的響應在電壓外環回路響應分析時可視為1。電壓外環回路控制器同樣采取前饋控制，由于存在感測負載電流，因此電壓控制器利用感測的負載電流加入電流命令中作為前饋控制，用以直接消除負載電流對于電壓外環回路的擾動。

電壓控制器Gv采用PI控制器來設計，此時，

(11)

由圖3可得：

(12)

PI調節器的電壓外環回路帶寬uv取電流內環回路帶寬的1/4，此時：

(13)

圖3　電壓外環控制回路

3　提高電壓調整率

(14)

上式的計算結果需經過低通濾波器濾波，低通濾波器可表示為：

(15)

圖4　電壓均方根值控制回路

截止頻率a設定在20 Hz以下，Gm采用PI控制，以獲得精確的電壓調整率。

圖5　簡化控制回路

4　仿真電路設計

為了證明電路設計的可行性，利用PSIM仿真軟件進行仿真驗證。逆變器的參數設計如下，Po=115 W，Uo=40 Vac/60 Hz，kv=1/162.2，ks=1/3.472 V/A，vtri=18 kHz/5UPP，Ud=70 V；采用單電壓極性切換方式，并且空白時間設為2 μs；L=1.323 mH，C=10 μF。通過上述電流內環電壓外環控制回路設計的方法可求得：k1=1.68，k2=4.60。按以上參數搭建仿真電路，可以得到在非線性負載下的輸出電壓、輸出電流及RMS電壓值的波形，如圖6所示。

圖6　非線性負載下的仿真結果

5　結　論

本文分析了單相光伏系統逆變器的工作原理并設計逆變器的雙環控制電路。在電流內環及電壓外環控制回路均采用了前饋控制方式，消除了輸出對回路的擾動；在電壓外環控制回路加入了電壓均方根值回路提高了電壓調整率。在RMS值計算時采用了簡化處理的方法，大大減少了計算消耗的內存資源。

參考文獻：

[1]李森，臧越，丁 濤，等.電流型光伏并網逆變器的研究與設計[J].山東工業技術,2016,(22):181-182.

[2]劉俊偉.一種單相電壓型逆變器雙環控制[J].江蘇科技信息,2016,(27):64-66.

[3]金愛娟，曹文彬，游珊妮，等.單相光伏系統的逆變器控制策略[J].電子科技,2017,30(1):19-22.

[4]張雅靜，鄭瓊林，馬亮，等.采用雙環控制的光伏并網逆變器低電壓穿越[J].電工技術學報,2013,28(12):136-141.