基于电网电压前馈的光伏并网逆变器的仿真与实现

１０ ０ 引言光伏并网发电系统的功率是随机变化的 ， 功率的扰动可能会影响电网的稳定。根据相关标准 ， 并网逆变器输出的电流波形总谐波畸变率应该小于 ５％ 。 基于此 ， 本系统采用电网电压的前馈补偿来抵消电网的影响 ， 使系统等效为一个无源跟踪系统 ， 减轻了调节器的负担 ， 减少了噪音干扰 ［１］ 。 对于光伏并网逆变器来说 ， 改善动态性能最好的方法是采用电流控制策略 ， 因此 ， 本系统采用直接电流控制方式 ， 通过控制并网电流与电网电 压 同 频 同 相 ， 使 得 输 出 功 率 因 数 为 １ ， 实 现 并网功能。１ 系统主电路和工作原理图 １ 为单相光伏并网逆变器的主电路图。 图中 ， Ｕ ｄｃ 为光伏方阵的输入电压 ， 在本系统基于电网电压前馈的光伏并网逆变器的仿真与实现林少华 １ ， ２ ， 许洪华 １（ １． 中国科学院 电工研究所 ， 北京 １０００８０ ； ２． 中国科学院 研究生院 ， 北京 １０００８０ ）摘 要 介绍了光伏并网逆变器的基本原理和拓扑结构 ； 提出了一种基于电网电压前馈和电流跟踪控制技术的并网控制方法 ； 建立了仿真模型 ； 给出了系统控制的软件和硬件设计。在一台 １０ ｋＨｚ， ３ ｋＷ 的实验样机上对该方案进行了实验 ， 实验结果验证了该方法的有效性。关键词 光伏系统 ； 并网逆变器 ； 前馈控制中图分类号 ＴＭ６１５ ； ＴＭ４６４ 文献标志码 Ａ 文章编号 １６７１－ ５２９２ （ ２００８ ） ０４－ ００１０－ ０３Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｎｖｅｒｔｅｒ ｏｆ ｇｒｉｄ － ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｐｈｏｔｏ－ｖｏｌｔａｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｇｒｉｄ ｖｏｌｔａｇｅＬＩＮ Ｓｈａｏ－ ｈｕａ １ ， ２ ， ＸＵ Ｈｏｎｇ－ ｈｕａ １（ １．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８０， Ｃｈｉｎａ ； ２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８０ ， Ｃｈｉｎａ ）收稿日期 ２００７－ ０７－ ２５ 。作者简介 林少华 （ １９８４－ ） ， 女 ， 山东聊城人 ， 硕士研究生 ， 主要从事太阳光伏发电技术的研究。 Ｅ－ ｍａｉｌ ｌｉｎｓｈｈ＠ ｍａｉｌ．ｉｅｅ．ａｃ．ｃｎＡｂｓｔｒａｃｔ Ａｆｔｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｏｆ ＰＶ ｇｒｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｓｙｓ－ｔｅｍ ， ａ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｆｅｅｄ ｆｏｒｗａｒｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ａｎｄ ａ ｓｅｔ ｏｆｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ａｌｓｏ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｎ ａ １０ ｋＨｚ， ３ ｋＷｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ＰＶ ｓｙｓｔｅｍ； ｇｒｉｄ－ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ； ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ ｃｏｎｔｒｏｌ图 １ 系统主电路框图Ｆｉｇ．１ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔＩ ｏｕｔ●●。。。。 ￣。．““““。。““““ＬＪ ２Ｊ １Ｕ ｄｃ＋Ｕ ｎｅｔ光伏阵列触发及功率放大直流电压采样直流采样同步信号数字信号处理部分ＴＭＳ３２０Ｆ２４０可再生能源Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ第 ２６ 卷 第 ４ 期２００８ 年 ８ 月Ｖｏｌ．２６ Ｎｏ．４Ａｕｇ． ２００８林少华 ， 等 基于电网电压前馈的光伏并网逆变器的仿真与实现 １１ 中为 ０ ～ ６００ Ｖ ， 交流侧输出为工频单相 ２２０ Ｖ ； Ｊ １ ，Ｊ ２ 分别为光伏方阵和电网侧继电器 ； Ｒ 为直流侧的缓冲电阻 ， 其作用是在电路启动时给母线电容充电。 整个系统由 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ 芯片控制 ， 通过检测光伏方阵电压、 并网输出电流 ， 判断与电网同步的信号 ， 控制 Ｊ １ ， Ｊ ２ 的通断 ， 给逆变桥发控制脉冲。输出电流经过滤波储能电感通过变压器并入电网。为了充分利用光伏阵列的输出能量 ， 控制逆变器输出电流与电网电压同相 ， 即逆变器的功率因数为 １ ， 其矢量三角形如图 ２ 所示。２ 系统的控制方案设计系统控制的主要目标 ① 实现对太阳能电池最大功率点的跟踪 ； ② 输出与网压同频同相的电流 ， 使输出功率因数为 １ ， 实现并网功能。２．１ 最大功率跟踪 （ ＭＰＰＴ ） 控制图 ３ 为在不同的温度下组件的 Ｐ－ Ｕ 曲线。从图 ３ 中可以看出 ， 在一定的温度条件下 ， 每条曲线都存在一个最大功率点。为提高并网发电系统的综合效率 ， 应采用 ＭＰＰＴ 控制 ［２］ 。由于电网电压比较稳定 ， 太阳能电池阵列最大功率点的跟踪方法一般可以采用不断扰动系统的并网输出电流的方法 首先不断扰动系统的给定 Ｉ ｒｅｆ ， 通过对实际并网输出电流 Ｉ ｏｕｔ 的采样 ， 计算出系统输出功率 Ｐ ｏｕｔ 。通过将 Ｐ ｏｕｔ 与上一周期的输出功率 Ｐ ｏｌｄ 比较 ， 便可以确定下一周期 Ｉ ｒｅｆ 的扰动方向。通过这种相对简易的方法 ， 可以使太阳能并网系统的工作点在阵列最大功率点附近振荡。２．２ 并网逆变器输出电流跟踪由于并网输出侧电感的作用 ， 电 流 不 会 发生突变 ， 因此可以采用电流反馈闭环控制方法来调节电流 ， 使逆变器的输出侧呈现受控电流源特性。传统的 ＳＰＷＭ 控制方法是将指令电流与并网电流的实时值比较 ， 两者偏差经过 ＰＩ 调节与三角波进行比较 ， 输出 ＰＷＭ 信号来控制逆变桥开关管的通断。 这种方法的缺点在于 ， 在理论上给定电流与实际电流存在偏差 ， 才能产生 ＰＷＭ 波 ； 同时 ， 电网电压为一幅值较大的交流变量 ， 其扰动影响在控制环节中不容忽视。为了克服传统控制方法的局限性 ， 并且有效地抑制电网的瞬时扰动 ， 本文采用了一种引入电网电压前馈的 ＳＰＷＭ 电流跟踪控制方式。 控制框图如图 ４ 所示。Δ ｉ ｃ Ｐ 的 物 理 意 义 相 当 于 电 感 上 的 电 压 ，Δ ｉ ｃ Ｐ 与网侧电压 Ｕ ｎｅｔ 相加 ， 相当于逆变器输出脉冲电压。 这样就构成了一个与逆变器的向量图相一致的矢量三角形。 这种方法利用动态的电压前馈抵消电网电压的扰动影响 ， 不仅保留了原来控制策略的优点 ， 同时可以有效减轻电流环的调节强度 ， 电流跟踪误差显著减小。前馈补偿是开环控制方式去补偿可量测的扰动信号 ［３］ ， 通过调整电网电压的比例系数 ， 来减小乃至消除电源电压 对 电 流 跟 踪 偏 差 的 影 响 ， 从 而 显 著 改 善 了ＰＷＭ 逆变器中电流跟踪控制的性能。从抑制扰动的角度来看 ， 前馈控制可以减轻反馈控制的负担 ， 反馈控制系统的增益可以取得小一些 ， 有利于系统的稳定。并 网 控 制 方 法 的 软 件 实 现 流 程 图 ， 如 图 ５所 示 。图 ２ 逆变器输出矢量三角形Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｖｅｃｔｏｒ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ’ ｓ ｏｕｔｐｕｔｊｗＬＩ ｏｕｔＵ ０ Ｕ ｎｅｔＩ ｏｕｔ图 ３ 不同温度下光伏组件的 Ｐ－ Ｕ 曲线Ｆｉｇ ．３ Ｔｈｅ Ｐ－ Ｕｃｕｒｖｅｓ ｏｆＰＶｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ８０７０６０５０４０３０２０１００ ０ ２０ ４０ ６０ ８００ ℃２５ ℃５０ ℃７５ ℃功率Ｐ／Ｗ电压 Ｕ／Ｖ图 ４ 加入前馈补偿的控制框图Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｕｓｉｎｇ ｆｅｅｄ ｆｏｒｗａｒｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉ ＊ ｏｕｔ ＋ ｉｃ ＋ ＋＋－ －Ｕ ｎｅｔ三角波ＰＷＭ信号比较产生ＰＷＭＰ２．３ 系统总体控制系统的总体控制为一个双环结构 ， 外环为直流电压环 ， 内环为并网电流环。 外环的参考值为最大功率跟踪器的输出值 ， 反馈值为光伏方阵的电压采样值 ， 对两者的误差进行 ＰＩ 调节后的外环输出为电流内环的幅值给定。系统总体控制框图如图 ６ 所示。其中 Ｕ ｐｖ 是光伏阵列的输出电压 ， ｉ ｄ 为并网电流的扰动量。３ 仿真分析基于以上分析 ， 利用 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 搭建了仿真模型 ， 对传统的 ＳＰＷＭ 电流跟踪方法与本文中所采用的方法分别进行了仿真 （ 图 ７ ） 。通过仿真比较发现采用电网电压前馈后 ， Ｐ参数可以选择相对较小的值。 在系统稳定工作时 ，只需要很小的电流指令信号就可以输出较大的并网电流。 从图 ７ 可见 ， 采用该种方法可以得到与电网电压同频同相的并网输出电流。４ 实验结果基于上述拓扑和控制方法研制了一台 ３ ｋＷ的光伏并网逆变器 ， 实验参数如下 直流侧电容为２ 个串联的 １ ｍＦ 的电容 ， 开关频率为 １０ ｋＨｚ ， 变压器变比为 ２３０／１８０ 。实验采用的是开路电压为４２０ Ｖ 光伏阵列 ， 其实验波形如图 ８ 所示。其中ＣＨ１ 为电网电压波形 ， ＣＨ２ 为并网电流波形。可以看出并网电流波形与电网电压为同频同相的正弦 ， 波形较好 ， 满足并网的要求。５ 结论由以上分析可知 ， 采用电网电压前馈补偿与并网电流闭环控制相结合的控制方法 ， 可以抵消电网扰动对电流跟踪的影响 ， 并且有利于减轻电流调节器的负担 ， 减小噪音干扰 ， 改善输出电流波形。仿真和实验对该算法进行了验证 ， 效果非常理想。参考文献 ［１］ Ｔ ＳＨＩＭＩＺＵ， Ｋ ＷＡＤＡ， Ｎ ＮＡＫＡＭＵＲＡ． Ａ ｆｌｙｂａｃｋ －ｔｙｐｅ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｕｔｉｌｉｔｙ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｉｐｐｌｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ＤＣ ｉｎｐｕｔ ｆｏｒａｎ ＡＣ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｍｏｄｕｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ［Ｊ］．ＩＥＥＥ ｐｒｏｃ． Ｏｆ３３ｒｄ ａｎｎｕａｌ ＰＥＳＣ，２００２ （ ３ ） １４８３－ １４８８．［２］ ＥＦＴＩＣＨＩＯＳ ＫＯＵＴＲＯＵＬＩＳ， ＫＯＳＴＡＳ ＫＡＬＡＴＺＡＫＩＳ，ＮＩＣＨＯＬＡＳ Ｃ ＶＯＵＬＧＡＲＩＳ． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ － ｂａｓｅｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎＰｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ２００１，１６ （ １ ） ４６－ ５４．［３］ 胡 寿 松 ． 自 动 控 制 原 理 ［Ｍ］． 北 京 国 防 工 业 出 版 社 ，１９９４． １２ 图 ８ 电网电压和并网电流的波形Ｆｉｇ．８ Ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｇｒｉｄ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｇｒｉｄ－ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ１ ） ［３ｋＷ］． 电 压 １００ Ｖ １０ ｍｓ２ ） ［３ｋＷ］． 电 流 １０ Ａ １０ ｍｓ图 ７ 系统仿真结果图Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ４００３００２００１０００－ １００－ ２００－ ３００－ ４００ ０ ０．０２ ０．０４ ０．０６ ０．０８ ０．１电压Ｕ ｎｅｔ，电流Ｉ ｏｕｔ时间 ／ｓ电网电压 并网电流图 ５ 并网控制的软件设计流程图Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｌｏｗ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｇｒｉｄ－ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ进入中断检测交流电流 ｉ ｏｕｔ查正弦表求瞬时电流指令 ｉ ｒｅｆ计算前馈电压 Ｕ ｒｅｆ电流误差 ｒ ｅｒｒ ＝ｉ ｒｅｆ － ｉ ｏｕｔＣＯＭＰＡＲＥ＝Ｋ ｐ ｉ ｅｒｒ ＋Ｕ ｒｅｆ正弦表地址加 １返回图 ６ 系统总体控制框图Ｆｉｇ．６ Ｇｅｎｅｒａｌ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌＵ ＰＶｉ ｄ ｉｏｕｔｉ ＊ ｏｕｔ ｉｃＭＰＰＴｉ ｏｕｔ ｓｉｎ “ ｔ ＵｎｅｔＰＰＩ 比较器ＳＰＷＭ＋＋＋＋＋ －－－可再生能源 ２００８ ， ２６ （ ４ ）