單相光伏并網逆變器的研究

國網浙江海鹽縣供電有限公司 吳桂萍 徐張健 孫 帥 沈哲蘋 陸建琴

1 引言

隨著世界經濟的高速發展和人口的快速膨脹，化石燃料的消耗日益增多，由此帶來的能源危機和環境危機已成為世界各國的難題。因此，開發和利用可再生清潔能源成為當今研究熱點。光伏發電技術作為一種能量來源取之不竭、用之不盡的新技術，得到了各國官員和專家的重視。并網逆變器作為光伏發電系統和電網之間的接口設備，其控制技術是光伏發電的核心技術。本文以單相光伏并網逆變器的控制技術為研究對象，采用了電壓外環電流內環的控制策略，并引入電壓前饋解耦改善了系統的抗擾動性能。

電壓控制采用PI控制，這是因為直流母線電壓Udc如果太低，無法滿足逆變器的直、交流的變化關系，而如果太高，則電容和開關管容易損壞。所以，系統中需要加入電壓外環PI控制來穩定直流母線電壓。

電流控制采用PR控制。該控制器在基波頻率處增益為無窮大，在非基頻處增益很小。因此，PR控制可實現對基頻參考正弦電流實現無靜差跟蹤。

整個單相光伏并網逆變器的原理框圖如圖1所示。圖1中PLL為鎖相環(Phase Lock Loop)。

圖1 單相并網逆變器原理框圖

圖2 單相并網逆變器結構圖

2 并網逆變器工作原理

2.1 并網系統數學模型

單相光伏并網逆變器的硬件結構結構如圖2所示。其中L為交流輸出濾波電感，C為與光伏電池并聯的穩壓電容；V1～V4是帶有反并聯二極管的主開關管IGBT；R為電感L和線路的等效串聯電阻；Udc為直流輸入電壓，即光伏電池的輸出電壓值；us是逆變器輸出電壓；ugrid為電網電壓；igrid為并網電流。

由圖2可得到單相并網逆變器的數學模型，如圖3所示。為了便于分析，將逆變環節等效為一個增益環節K。圖3中，G(s)電流控制器傳遞函數，Iref為并網電流正弦參考信號。

圖3 并網逆變器系統模型

2.2 并網逆變器電流控制策略

根據圖3可推出并網電流的傳函如式(1)所示：

其中電流控制器采用PR控制器[1]且：

由式(1)可以看出，并網電流與參考電流和電網電壓有關。若采用PI控制，因為PI控制器在基波頻率ω0處的增益是有限的，由式(1)可知，輸出電流不等于參考電流，系統存在穩態誤差。而采用PR控制，則PR控制器在基波頻率ω0處的增益為：

由式(3)可知增益趨于無窮大，所以式(1)可以簡化為Igrid=Iref。因此PR控制器可以實現零穩態誤差追蹤參考電流信號。在實際應用中，由于PR控制實現有難度，通常采用容易實現的準PR控制器，其傳遞函數如式(4)[2]：

其中kp為比例增益，kr為積分增益，ωc為截止頻率；ω0為諧振頻率，在本文為電網電壓角頻率。

本文中設置kp=10，kr=50，ωc=2.5rad/s，ω0=314rad/s。

2.3 電壓前饋控制

由式(1)可知，系統還存在來自電網電壓Ugrid的擾動，電網電壓的畸變或波動會影響并網電流質量。

為了進一步改善并網電流的質量，本文引入了電網電壓前饋控制[3]。控制結構圖如圖4所示。

圖4 電網電壓前饋控制原理圖

根據圖4得到并網逆變器輸出電流的傳遞函數為：

由式(5)可得并網輸出電流只與參考電流有關，電網電壓對并網電流的影響被完全消除。

4 仿真結果分析

為了驗證本文控制策略的可行性，在Simulink中建立單相光伏本文逆變器仿真模型。仿真參數如表1所示。

表1 系統仿真參數

圖5 并網電流波形圖

圖6 并網電流傅里葉分析

圖5和圖6所示為并網電流波形圖及其傅里葉分析，其中并網電流為方便觀察按5倍比例放大。由圖可知，并網電流正弦度良好，與電網電壓同頻率同相位，總諧波畸變率THD=3.95%，符合THD<5%的國家標準。

圖7所示為電網電壓突變時的并網電流波形。仿真時設置電網電壓在0.2s時幅值由311V突變為300V，并網電流無較大波動，可以看出系統動態性能良好，抗電網電壓擾動能力較強。

圖7 電網電壓突變時并網電流波形

4 結論

本文以單相光伏本文逆變器為研究對象，研究了基于PI電壓控制和PR電流控制的控制策略，并引入電網電壓前饋控制策略，增強系統對電網電壓抗擾動能力。最后通過Simulink仿真驗證了控制策略的正確性和有效性。

[1]王杰,亓迎川,朱子梁,潘宇航.PR調節器在SPWM逆變器中的應用[J].空軍雷達學院學報,2009,04:278-280.

[2]趙清林,郭小強,鄔偉揚.單相逆變器并網控制技術研究[J].中國電機工程學報,2007,16:60-64.

[3]毛艷芳,等.單相逆變器雙環控制改進策略研究.電測與儀表,2014(08):69-74