太陽能光伏逆變器控制策略

賀莉 羅丹羽 董雪峰 李翔

摘 要：光伏逆變器是光伏發電系統中非常重要的一環。因此，本文闡述了光伏逆變器的發展歷史和現狀，對目前市場上出現的光伏逆變器進行了分類整理，并介紹了相關的控制策略。

關鍵詞：光伏逆變器;光伏發電系統;控制策略

中圖分類號：TM464 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）04-0149-03

The Analysis on Solar PV Inverter Control Strategy

HE Li LUO Danyu DONG Xuefeng LI Xiang

（Zhengzhou Electric Power College，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Photovoltaic inverter is a very important part of the photovoltaic power generation system. This article briefly introduced the development history and current status of photovoltaic inverters， classified and sorted the photovoltaic inverters currently appearing on the market， and introduced the control strategies for them.

Keywords： photovoltaic inverter;photovoltaic power generation system;control strategy

20世紀70年代發生的石油危機、環境污染和能源短缺等，使人們逐漸意識到單一依靠常規的化石類能源不能滿足人類對能源的需求。因此，各國紛紛開始發展清潔能源發電，其中太陽能發電憑借其獨有的優勢得到了迅猛發展。同時，為了更好地發展太陽能光伏發電[1，2]，各國還紛紛提出了一系列對應的扶持政策。我國地域遼闊，太陽能資源豐富，發展太陽能發電具有明顯優勢[3，4]。目前，我國仍是傳統的能源結構組成，主要由煤炭、石油等化石能源占主導地位，太陽能發電具有廣闊的發展空間。近幾年，我國政府對光伏發電越來越重視，逐步實施和完善了上網電價補貼政策，進一步促進了太陽能光伏發電技術的迅猛發展，使我國在太陽能光伏發電產業中更具競爭力。作為光伏發電系統核心的轉換器件，逆變器必將成為我國光伏發電市場的必爭之地和重點研究對象，其研發、應用和推廣具有極其深遠的意義。

1 光伏逆變器現階段的發展

在過去10余年的研究和發展中，全球范圍內光伏產業的產值平均增幅為57.1%，已躍居成為世界上增長迅速的產業之一。作為光伏發電系統中最核心的逆變技術，這些年也取得了快速發展。逆變控制技術的主要原理是把信號從直流變換和輸出到交流，并結合相關的調制技術。20世紀60年代，德國A.Schonung首次提出應用脈寬調制技術。此后，正弦波PWM（SPWM）控制技術由英國的S.R.Bowes博士提出，這一創新是對脈寬調制技術乃至電力電子技術的革命性飛躍，也成為逆變器技術變革的理論基礎。新能源發電技術的不斷發展，使得國內外許多研究機構廣泛深入開展光伏逆變控制器的研究，更是針對相關課題開展了廣泛深入的研究。

早在20世紀80年代，我國已開始在逆變器控制及其制造技術方面開展研究開發。在光伏市場需求方面，隨著國家對光伏發電的大力調制和出臺相關補貼政策，截至2014年底，我國光伏發電裝機容量超過4GW。隨著國家大力推進“金太陽示范工程”以及大量的光伏并網補貼及惠民政策的落地實施，環境和政策都將激勵著我國逆變器技術的研究工作蓬勃發展。目前，我國在光伏發電領域的規模和關鍵技術已處于世界前列。

2 太陽能光伏逆變器控制策略

2.1 太陽能光伏逆變器的分類

逆變器在太陽能光伏發電系統[5]中的主要作用是將太陽能電池產生的直流電轉換為交流電，同時改變原來的電壓、幅值、頻率以及波形等，從而為各種交流用電裝置、設備提供電能，且可滿足并網發電等。目前，市場上逆變器有多種類型，因此在選擇機種和容量時需特別注意。尤其在太陽能發電系統中，逆變器效率的高低對太陽能電池容量和蓄電池的容量大小具有決定性影響。對目前市場上常用的逆變器進行分類，結果如表1所示。

2.2 逆變器控制策略

目前，多數逆變器采用的控制方法[6]可根據控制原理分為兩類：①采用經典控制策略的逆變器;②采用現代控制策略的逆變器。

2.2.1 經典控制策略。①電壓均值反饋控制。該控制策略主要的控制方式是給定一個目標電壓均值，通過反饋采樣設備給出的電壓均值的采樣值，用采樣值和目標值做差，進而得到一個誤差值，再以此誤差值為基礎建立新的反饋系統進行PI調節，從而得到可控的輸出。作為一個恒值調節系統，電壓均值反饋控制最大的優點是無凈差輸出，最大的缺點是系統響應速度慢。②電壓單閉環瞬時值反饋控制。該控制主要是通過把電壓瞬時值作為給定目標值，進而將反饋采樣設備給出的電壓瞬時值建立反饋，且針對二者誤差進行PI調節，從而得到可控輸出。作為一個隨動調節系統，它的控制策略的積分環節有一定的相位滯后，系統必然會存在凈差，所以此控制策略的穩態誤差不好，但是系統響應十分迅速。③基于電壓均值的電壓單閉環瞬時值控制方法。若采用電壓瞬時值單閉環控制系統，穩態誤差不好，但電壓均值反饋恰好可以彌補這個缺點，所以可以在電壓瞬時值單閉環控制系統的PI調節基礎上，通過增設一個均值電壓反饋控制環節，以大大降低原系統的穩態誤差。④電壓、電流相結合的雙閉環瞬時控制。電壓單閉環控制系統與直流電機的轉速單閉環控制相似，在抵抗負載擾動方面誤差較大，只有先把負載擾動對系統輸出的電壓、轉速等物理量的影響輸出后，控制器才能做出反應，因此設計時可在電壓外環基礎上增設一個電流內環進行補償，當負載受到擾動信號時，電流內環可以快速、及時地抑制負載波動的影響，使得電壓外環調節可以大大提高抗擾性，改善控制性能。

2.2.2 現代控制策略。①基于多變量的狀態反饋控制。采用該策略可以任意配置系統的極點，從而改善系統的動態特性。但是，該控制策略在最初建立系統狀態變量模型時，負載實際的動態特性難以預估，因而實際控制方案僅能假定空載或假定負載。針對該缺點，可在控制系統中加入負載電流前饋補償環節，預先對系統進行魯棒分析，以大大改善系統的動態品質，使得系統具有更好的穩態性能和動態性能。②無差拍控制。該控制策略是將給定的正弦波參考波形等間隔劃分成若干周期，利用預測算法計算每個采樣周期的起始值，進而在采樣周期結束時計算出負載應輸出的值。這樣通過合理計算采樣周期的起始值，將使得系統輸出的波形與參考的波形完全重合，從而不產生任何相位、幅值偏差。③滑模變結構控制。該控制策略實質上是一種非線性控制方法，利用的是某種不連續的開關控制策略，從而強迫系統的狀態變量沿著某一設計好的滑模面運動。該控制策略的優點是其對系統參數變化和外部擾動均不敏感，具有較強的魯棒性，但其很難確定一個理想的滑膜面，且對開關頻率要求較高。④模糊控制。該控制策略屬于智能控制，與傳統的控制方案相比，是控制理論發展的高級階段。不依賴于系統的數學模型，是模糊控制的最大優點。對于具有高度非線性、不確定性對象問題的系統，通常可以采用該控制策略。⑤重復控制。內膜控制原理是重復控制策略的基本思想。控制策略可對指令和擾動信號假設一個內膜進行控制，從而達到輸出無凈差控制，但這種控制方案動態響應不好，需要較大的內存。

3 結論

太陽能光伏發電作為新興能源，在近幾年發展迅猛。逆變器作為太陽能光伏發電的控制核心，是光伏發電系統經濟、可靠、安全、優質運行的關鍵因素，對于整個光伏發電系統的能量轉換效率、輸出電能質量的優劣等具有決定意義。因此，本文對現今的逆變器進行分類整理，簡單介紹了光伏逆變器的控制策略，以期為光伏逆變器的研究開發奠定一定的基礎。

參考文獻：

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[2]李文婷，劉宏，陳慧玲.國內外太陽能光伏發電發展綜述[J].青海電力，2004（4）：3-6.

[3]史冬云，劉勁松，白曉威.光伏發電技術現狀、存在問題及對策[J].吉林電力，2011（7）：39-41.

[4]呂貝，邱河梅，張宇.太陽能光伏發電產業現狀及發展[J].華電技術，2010（1）：73-76.

[5]張立文，張聚偉，田葳，等.太陽能光伏發電技術及其應用[J].應用能源技術，2010（3）：4-8.

[6]熊遠生.太陽能光伏發電系統的控制問題研究[D].杭州：浙江工業大學，2009.