基于MATLAB的光伏逆變器電壓電流雙閉環(huán)控制模型搭建與仿真

廣西大學行健文理學院 陳 瑩 謝 聰 廣西韋福信息科技有限公司 陳 凱 廣西職業(yè)技術學院 寧 可

在國家大力推動下，近年來光伏電池應用越來越廣泛。光伏電池輸出電能為直流電，然而我國絕大部分供電網絡以交流供電為主，光伏電池需通過光伏逆變器將直流電能轉化為交流電能后才能接入電網中。并且電網電壓是存在波動的，若光伏逆變器無法快速準確跟蹤電網電壓，會導致運行過程中暫態(tài)動蕩與沖擊，可能產生環(huán)流，因此光伏逆變器的設計尤為重要。本文根據光伏逆變器的輸出特性引入電壓電流雙閉環(huán)控制技術，以提高光伏逆變器輸出的準確性和快速性，使逆變器更精準跟蹤參考電壓變化，并在matlab 軟件中搭建模型進行仿真測試。

1 系統模型

本文采用SPWM 技術控制逆變器輸出模式，SPWM 技術是將參考電壓波形（又稱調制波）與等腰三角波（又稱載波）進行比較，根據比較結果控制對應的IGBT 管按一定順序導通或者斷開，來實現直流轉化為交流。光伏逆變器結構如圖3所示。其中m1、m2為電壓電流檢測模塊。

通常光伏電池模塊會與蓄電池并聯接入光伏逆變器直流側，蓄電池通過DC-DC 變換技術將直流側輸入電壓鉗位在固定電壓值[1]。故在圖1系統模型中光伏逆變器的直流輸入用直流電源DC 表示。設光伏逆變器需接入電網電源為相電壓220V、50Hz的三相交流電網中，并網條件是電壓值、頻率和相位相等。因此，以電壓參考峰值為311V、參考頻率為50Hz 的電壓波形作為調制波。再與頻率為10000Hz 的三角波進行對比，生成控制規(guī)律信號PWM2。將PWM2作用在三相全控逆變電路上，使逆變器跟蹤參考電壓。

圖1 帶濾波的逆變器結構圖

此時，逆變器輸出實際上是按特定規(guī)律變化的矩形波，需要經過濾波模塊后才可接入電網。在逆變器輸出端接入常見的LC 濾波電路，經過LC 濾波電路后逆變器A 相輸出波形如圖2所示，可看出逆變器輸出波形在跟蹤參考電壓信號過程中存在很大誤差。這是因為濾波環(huán)節(jié)存在一定阻抗，影響了逆變器輸出，導致無法準確跟蹤參考信號。

圖2 經過LC 濾波電路后的A 相輸出波形

2 電壓電流雙閉環(huán)控制電路

為了改善逆變器輸出跟蹤信號的能力，本文引入雙閉環(huán)控制方法對光伏逆變器進行改進。通過檢測濾波后的輸出波形與參考電壓比較獲得誤差，再通過誤差大小與變化情況得到新的控制律來調控功率開關管，從而解決濾波電路對逆變器輸出的影響，同時也能解決實際應用時電網電壓波動產生的誤差。根據圖1可求出逆變器的數學模型：

其中，逆變器輸出相電壓分別為uA0、uB0、uC0；濾波后的電壓分別為uA、uB、uC；流經濾波電感的電流分別為iLA、iLB、iLC；濾波電感感抗為L、等效內阻為rL；濾波電容的電容值為C，其等效內阻很小可忽略不計；Z1為負載阻抗。

若以三相電源的電流電壓初始狀態(tài)作為坐標系的參考方向，相交δ 會隨時間變化而變化，計算十分復雜，故本文使用dq 旋轉坐標系[2]，即將三相的坐標投影到兩軸坐標系中，再將其看成是一個隨著三相電壓或電流的角頻率ω 的增大而不斷旋轉的坐標系。令轉換矩陣T 為式3，坐標變換方程為式4。根據式4對式1和式2進行坐標系轉化并化簡后得到式5、式6，對其分解并進行拉式變換，得逆變器輸出各參數在dq 旋轉坐標系下的關系方程式7。根據式7畫出逆變器輸出各參數在dq 坐標系下的等效系統框圖（圖5）。

由圖3可以看出，經坐標系轉換后，被控量Ud(s)和Uq(s)都受到來自另一個軸的信號干擾，相互存在耦合，影響系統調節(jié)。可根據另一個軸的干擾信號，通過加入前饋補償控制來解開耦合、從而抵消干擾。對于本系統來說，電壓前饋控制設計較為復雜，故本文只做電流前饋控制解耦。引入電壓電流雙閉環(huán)控制技術，電壓環(huán)采用PI 調節(jié)器、電流環(huán)采用P 調節(jié)器。電壓電流雙閉環(huán)控制示意圖如圖4。

圖4 電壓電流雙閉環(huán)控制示意圖

3 電壓電流雙閉環(huán)控制模塊與仿真

在MATLAB/simulink 中搭建abc 坐標系轉dq 坐標系模型VPark，以電壓坐標系轉換為例，如圖5所示。同理將濾波后的三相電流進行坐標系轉換。經坐標轉換后得到反饋信號ud、uq、id、iq，將其接入電壓電流雙閉環(huán)模型中與給定信號進行比較，再經過調節(jié)器和前饋補償，輸出電流給定值和，再進行P 調節(jié)。

圖5 VPark 轉換模塊

電壓電流雙閉環(huán)模型如圖6所示。其中，Vd＊1和Vq＊1為經過dq 坐標變換后的給定電壓波形，PI調節(jié)器PI1比例系數為1，積分時間常數為30；P 調節(jié)器PI2比例系數為8，積分時間常數為無窮大。

圖6 加入雙閉環(huán)控制后的逆變器A 相輸出電壓波形

對系統進行仿真，令系統給定電壓初始狀態(tài)為電壓幅值311V、頻率50Hz，當t=0.3s 時給定電壓幅值突變?yōu)?50V，當t=0.5s 時給定電壓頻率突變?yōu)?5Hz（圖7）。實驗結果表明，經過電壓電流雙閉環(huán)控制后，逆變器輸出電壓波形能夠準確跟蹤給定信號，并且當給定信號發(fā)生波動時能夠快速跟隨給定信號變化。對比圖2可知，加入雙閉環(huán)控制后系統的準確性和快速性遠遠超過未加入閉環(huán)調節(jié)前，實際輸出電壓與給定電壓之間的誤差減小。當給定電壓發(fā)生波動時可快速跟蹤信號波動，大大提高了系統性能。

圖7 電壓電流雙閉環(huán)跟蹤控制模型