6光伏并网逆变器滞环电流的自适应控制

2009.12 Vol.33 No.12研 究 与 设 计收稿日期 2009- 05- 28基金项目 国家自然科学基金项目 （ 50667002 ） ； 新疆大学青年科研基金启动项目 （ QN070136 ）作者简介 戴训江 1974 ,男 ,新疆维吾尔自治区人 , 博士研究生 ,主要研究方向为光伏并网发电技术及电能质量分析和控制 。Biography DAI Xun- jiang 1974 , male, candidate for Ph D.1097光伏并网逆变器滞环电流的自适应控制戴训江， 晁 勤， 加玛力汗 库马什新疆大学 电气工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830008摘要 在传统两电平电流滞环控制的基础上 ,提出一种能动态调整滞环宽度的自适应滞环控制算法 ,建立自适应算法的几何数学模型 ,应用于光伏并网逆变器的控制系统 。 以 Matlab/simulink 为系统仿真平台 ,在 Matlab 和 Psim 的接口模块Simcoupler 建立单相并网逆变器的主电路和控制电路 ,分别构建光伏阵列 ,最大功率跟踪控制 ,自适应滞环宽度计算器和两电平滞环控制器的仿真模块 ,最后构成以光伏模块 、 直流电容 、 单相全桥 PWM 逆变器 、 滤波电感和电网为电力元件的光伏并网逆变系统 ,以自适应滞环控制器对逆变器进行开关频率的控制 ,仿真结果表明采用自适应滞环控制的逆变器 ,能动态调整滞环宽度而保持开关频率不变 ,在开关频率较高的情况下 ,使注入电网的电流具有良好的电能质量 ,与电网电压同相 ,功率因数为 1。关键词 自适应； 滞环； 光伏； 并网； 逆变中图分类号 TM 911 文献标识码 A 文章编号 1002- 087 X200912- 1097- 04Adaptive hysteresiscurrent control schemeof photovoltaicgrid-connected inverterDAI Xun-jiang ， CHAO Qin， JIAMALIHAN Ku-mashiElectrical EngineeringCollege, Xinjiang University， Urumqi Xinjiang 830008， ChinaAbstract Based on conventional two- level current hysteresis band control, an adaptive hysteresis band currentcontrol algorithm featured dynamically modulate hysteresis band width was presented in this paper, and its geometryand mathematical model were derived, which will be used in the application of photovoltaic grid- connected inverter.In the platform environment of Matlab/Simulink and the interface of Simcoupler between Matlab and Psim, thesimulation modules of photovoltaic array, maximum power point tracking, adaptive hysteresis band width calculatorand two- level hysteresis band controller were built based on the new mathematical models and novel algorithms.Finally, the photovoltaic grid- connected inverter system composed of photovoltaic array, DC link capacitor, singlephase full- bridge PWM inverter, filter inductor and power grid was created, and the adaptive hysteresis bandcontroller was integrated into the inverter system to control switching frequency. The simulation results indicate thatthe switch frequency can be fixed constant while dynamically and instantaneously modulating hysteresis band width,the inverter current injected into power grid will have good power quality on the condition of higher switchingfrequency, synchronization with power grid voltage at the result of unity of power factor.Key words adaptive; hysteresis band; photovoltaic; grid- connected; inverter随着全球风能和太阳能等可再生能源的发展，为电网提供电力是其主要的发展方向 [1] 。 太阳能作为取之不尽用之不竭的洁净能源， 光伏并网发电是一个重要的应用领域， 能为电网输送绿色电力， 调节有功， 进行无功和谐波补偿， 为解决电能质量问题提供新的思路和途径 。并网逆变器是光伏发电系统和电网的重要接口，是目前国内外研究的热点 。 逆变器电流是光伏发电电能质量的重要指标， PWM 控制技术是目前最为流行的逆变器控制技术 。 光伏并网发电因受温度和光照等外界环境变化的影响以及光伏阵列非线性的电气特性， 其控制系统变得复杂 。 闭环电流 PWM控制是光伏并网逆变器的主要控制策略， 能实时跟踪参考电流波形， 精确控制注入电网电流， 使其最大限度的降低畸变和减小谐波分量 。 滞环电流控制是通过逆变器电流和参考电流比较以决定逆变器开关顺序的一种控制策略 。 因此， 滞环宽度成为这种算法精确性的关键 。 滞环电流控制 [2]因其实现简单， 电流响应快速， 较高的稳定性以及独特的快速限流能力而在并网控制系统广泛应用 。 传统的电流滞环跟踪控制算法 [3]的主要特点是滞环宽度的设定是固定的，导致平均开关频率的瞬时变化， 引起噪声， 使滤波器设计困难 。 本文提出的一种自适应滞环控制算法， 能根据开关频率 、 电网电压 、 光伏最大功率工作点电压研 究 与 设 计2009.12 Vol.33 No.12 1098和参考电流的斜率动态调整滞环宽度，可以使开关频率保持不变， 减小电力电子器件的开关损耗， 逆变器输出电流能实时跟踪设定的正弦参考电流变化， 系统功率因数为 1。1 两电平滞环电流跟踪控制图 1 所示为单相光伏并网逆变器的拓扑结构和两电平电流滞环控制的原理图 。 并网系统 [4]是由光伏阵列， 最大功率跟踪模块 、 直流输入电容 、 4 个 IGBT 组成的桥式逆变器 、 滤波电感和电网组成 。 其中 HB 为滞环宽度 。 电流滞环控制是将瞬时的逆变器电流 iL 和正弦参考电流 ir 进行比较，产生的误差电流直接和预先设定的滞环宽度比较以决定逆变器开关脉冲的时序， 使电感电流上升或下降， 从而实时紧密地跟踪标准正弦参考电流 。 但由于器件开关点更迭取决于逆变器电流到达上下限的时间， 且逆变器电流的变化率在输出周期为时变， 因而滞环控制的开关频率不固定， 变化范围大， 给输出滤波电路参数的优化选择带来困难 。 采用最大功率跟踪是使光伏阵列在外界环境如温度和光照强度条件发生变化时，始终工作在最大的功率点， 从而最大化的将能量传输给电网 。 参考电流通过锁相环技术 PLL 使其与电网保持同步 。根据图 1 所示的滞环电流控制 [5] 和并网型逆变器原理，当电流误差低于 － 1/2 HB 的滞环宽度时， 产生的脉冲信号触发 S1 和 S4 导通， S2 和 S3 截止， 电感电流开始增加 ; 当电流误差信号超过 1/2 HB 的滞环宽度时，产生的脉冲信号触发S2 和 S3 导通， S1 和 S4 截止， 电感电流开始减小， 这样逆变器电流始终在滞环宽度的范围内变化，从而同步跟踪正弦参考电流 。 设光伏最大功率点输出电压为 Vmp， 逆变器输出电压为 upwm， 电网电压为 ug， 滤波电感为 L f， 滞环宽度为 HB， 逆变器输出的电流为 iL ， 参考电流为 i r， 则当 S1 和 S4 导通时， 有12345同理， 当 S2 和 S3 导通时， 有678令 ，定义调制指数 910最大频率为 11平均开关频率为 12可见， 在太阳能光伏模块输出稳定直流电压的条件下， 滞环宽度决定平均开关频率 fs.av 的高低， 滞环宽度越窄， fs.av 越高， 负载电流的脉动程度也越低并接近正弦波， 电流的总谐波畸变越小， 但 fs.av 越高则电路开关损耗越高， 导致电路效率越低 。 本文采用电力电子仿真软件 PSIM 和 Matlab 的接口模块Simcoupler， 光 伏 模 块 阵 列 模 型 在 Matlab 平 台 下 建 立 和 调用 [6]， 单相并网逆变器电路模型和滞环控制策略在 Psim 平台下实现， 如图 2 所示为基于 Psim 和 Matlab 接口平台 Simcou-pler 的电流滞环控制的并网逆变器原理图 。2 自适应滞环电流控制2.1 数学模型滞环宽度决定逆变器的开关频率， 滞环宽度变窄， 开关频率则增加，滞环宽度越窄，逆变器越能精确跟踪参考电路变化 。 通过改变滞环宽度， 可以评估不同滞环宽度对逆变器的性能影响， 也能控制平均开关频率 。 理论上， 增加开关频率能使逆变器输出良好的电流波形， 但由于开关器件的限制， 开关频率增加， 将引起更多的开关损耗， 也会导致电磁干扰问题 。 因此， 开关频率的选择应该进行综合考虑 。 本文提出的自适应电流滞环控制 [7] ， 是根据电气参数的自适应改变滞环宽度， 使平均开关频率保持基本不变 。 图 3 为自适应电流滞环控制的电研 究 与 设 计2009.12 Vol.33 No.121099流和电压波形 。1314S1 和 S4 导通期间 ton， 有 151617将 14代入 16式， 化简有 18将 18代入 17， 有 19式中 fs 为系统开关频率， 为参考电流的斜率 。 可见，滞环宽度是光伏最大功率点电压 V mp 开关频率 fs， 电网电压 ug和参考电流斜率 m 的函数 。 通过调制滞环宽度， 开关频率保持基本不变 。2.2 自适应电流滞环控制仿真模型图 4 所示为自适应电流滞环宽度计算器的 Matlab 仿真模块 。3 仿真分析光伏并网逆变器自适应滞环控制仿真分析包括系统建模和控制器算法 。 系统建模有光伏阵列建模， 最大功率跟踪控制建模 。 自适应滞环宽度计算器建模， 滞环控制器建模以及单相全桥逆变器， L 滤波器和电网的建模 ; 控制器算法是将最大功率跟踪控制算法 、 锁相环技术 PLL、 自适应滞环宽度计算算法和两电平滞环控制算法集成在一个统一协调的控制系统 。 图5 所示为基于自适应滞环控制算法的系统原理框图 。在 Matlab/Simulink 仿真平台上， 以光伏阵列模块 、 自适应宽度计算器模块和滞环控制器模块为基本仿真模块，在不同开关频率下进行逆变器电流和瞬态滞环宽度的仿真分析 。 光伏模块参数是在标准测试条件下的电气参数，标准测试条件是环境温度为 25 ℃ ， 太阳光照强度为 1 000 W/m2， 空气质量密度为 1.5。 光伏模块的参数分别为 Isc8.37 A ， Imp7.6 A ，V mp 23.7， α 0.053， β － 0.104， Voc＝ 30 V; 电力元件参数为直流连接电容 Clink＝ 300 uF; 滤波器元件参数为 Lf ＝ 5 mH； 电网参数 电网电压 ug， 有效值 urms＝ 220 V/50 Hz。图 6 所示为光伏阵列在环境温度为 25 ℃ ， 太阳光照强度为 600 W/m 2 条件下， 功率器件的开关频率为 1 kHz 时， 逆变器输出电流， 参考电流和瞬态滞环宽度的仿真波形 。 仿真时间设定为 3 s。图 6 的仿真结果表明在开关频率较低时， 如 1 kHz 时， 逆变器输出电流有畸变和断续； 瞬态滞环宽度有间断， 发生极大的负跳变， 且按照电网基波 2 倍频率正弦调制变化， 幅值变化大 。图 3 自适应电流滞环控制的电流和电压波形Fig.3 Inverter output current and voltage waveform withadaptive hysteresis band control图 4 自适应电流滞环宽度计算器的 Matlab 仿真模块Fig.4 Matlab diagram block for adaptive current hysteresisband calculator图 5 光伏并网逆变器自适应滞环控制的原理框图Fig.5 Schematic diagram of photovoltaic grid-connectedinverter with adaptive hysteresis band control研 究 与 设 计2009.12 Vol.33 No.12 11004 结语本文在传统电流滞环控制分析的基础上，分析了滞环宽度和开关频率的数学关系，分析表明开关频率将在滞环宽度一定的条件下， 按照电网基波 2 倍频率正弦调制变化， 这将给逆变器的设计带来困难 。 因此， 本文提出一种动态调整滞环宽度的自适应滞环控制算法，推导了保持开关频率不变的自适应滞环宽度的数学模型， 并在 Matlab/Simulink 的平台环境下，对基于自适应控制算法的单相并网逆变器进行仿真分析， 结果表明当滞环宽度按照电网频率调制变化且开关频率较高时， 逆变器能输出优良的正弦电流， 紧密跟踪参考正弦电流的变化， 使电网电压和逆变器注入电网电流同相， 功率因数接近1。 自适应滞环宽度的算法将为并网逆变器控制器的设计，滤波器参数设计以及逆变器并网输出的电能质量分析提供非常重要的依据 。参考文献[1] 赵争鸣， 刘建政 .太阳能光伏发电及其应用 [M]. 北京 科学出版社 ,2005.[2] 林渭勋 . 现代电力电子技术 [M]. 北京 机械工业出版社 ,2006.[3] 刘凤君 . 现代逆变技术及应用 [M]. 北京 电子工业出版社 ,2006.[4] SOEREN B K. 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