多電平級聯光伏逆變器穩壓控制研究

趙小明 劉建業

（河北科技大學，河北石家莊050018）

0 引言

隨著能源危機的出現，可再生能源變得越來越重要，而太陽能以其清潔、環保、可持續等特點備受關注。作為光伏系統中的重要環節，光伏逆變器的性能直接決定了太陽能利用效率的高低[1]。因此，改善光伏逆變器的工作性能已經成為國內外本領域的一個研究熱點。本文通過H橋級聯方式得到一種多電平逆變器，由于電平數多，輸出電壓諧波含量低，同時開關損耗大大減小，因此該拓撲在高壓大功率光伏系統中具有良好的應用前景[2]。針對文中所提出的級聯多電平逆變器拓撲結構，提出了一種新型雙閉環PI控制方法，通過對輸出電壓、電流進行調節，使用戶側得到諧波含量小、穩定性高的正弦交流電。利用Matlab建立了其仿真模型，通過仿真波形及諧波含量的結果，驗證了理論分析的可行性。

1 多電平級聯逆變器拓撲

級聯多電平逆變器通常是由若干個單相逆變器串聯而成的，每一個單相逆變器中均含有獨立的直流電源[3]。本文提出的級聯多電平逆變器，為便于分析討論，只選取兩個單相逆變器單元串聯而成，其最終的相電壓由各單元的電壓疊加得到。由于各功率單元是相對獨立的，二者之間并沒有關聯，故無需考慮均壓問題，其拓撲結構如圖1所示。

圖1 多電平級聯逆變器拓撲

2 雙閉環PI穩壓控制方法應用于逆變控制

傳統雙閉環PI控制中，電壓外環將基準正弦信號Uref與逆變器輸出反饋電壓信號Uof相比較產生的誤差信號e，經過PI調節后，得到Iref作為電流內環的參考值，從而達到穩壓的目的[4]。由于電感電流是負載電流和電容電流之和，電感電流中包含了負載電流，因此可以起到對負載限流的作用。電感電流的方向是進行死區效應補償的必要條件，采用電感電流模式可以方便地對死區進行補償，能夠較好反映出逆變系統的動態性能，具有良好的響應速度。因此，電流內環對輸出濾波電感電流進行調節控制，使之接近參考電流Iref。電流內環由輸出電流的瞬時值和控制信號進行比較，產生誤差經過PI調節后與三角載波信號比較，來控制開關功率管的通斷，從而提高系統的動態性能[5]。

由上述分析可知，控制電壓信號u是由誤差信號e′經調節得到的，也就是說，其來源是誤差信號，因此需要有較大的輸出誤差，系統才會得到有效明顯的調節，這可能導致系統響應變慢，系統穩態誤差較大，因此做出了如圖2所示改進。

圖2 改進后雙環PI控制流程框圖

由上式可知，首先通過反饋電壓和參考電壓作差，得到誤差值e（k），對e（k）進行累計，最后計算得到控制電壓。處理器內遞推算法如下：

改進后的PI控制器輸出的控制電壓離散形式為：

3 仿真分析

利用Matlab中的Simulink平臺，在負載擾動情況下，建立了基于改進的雙閉環PI控制器的單相全橋逆變系統。對逆變系統進行負載擾動實驗：逆變器系統從空載運行開始，在0.02 s時負載變為20 Ω，在0.04 s時負載突增為40 Ω。記錄逆變輸出側電流、電壓波形及輸出電壓的諧波含量情況。

逆變器系統的穩壓PI控制器改進前后的輸出電壓UO、輸出電流IO波形如圖3所示，由波形可知，傳統的雙閉環PI控制方法下，輸出電壓、電流波形有較多振蕩及毛刺，輸出電壓總諧波失真度（THD）為0.87%，而本文提出的新型雙閉環PI控制方法，可以得到更接近正弦的、更穩定的交流電，輸出電壓總諧波失真度（THD）為0.07%，控制精度大大提高。

利用本文提出的雙閉環PI控制方法，其輸出電壓諧波含量結果如圖4所示。

圖3 雙閉環PI控制策略改進前后輸出電壓、電流波形對比

圖4 新型雙閉環PI控制下輸出電壓諧波失真情況

4 結語

本文針對多電平級聯光伏逆變器，提出了一種新型的雙閉環PI穩壓控制方法，通過理論分析與建模仿真，證明了該方法可以大大降低輸出電壓諧波失真度，控制精度大大提高。將其應用到光伏發電系統，可以大大降低能量損耗，提高效率，節約能源。