基于Simulink光伏并网逆变器滞环电流控制的研究

作为光伏发电系统中的关键环节 ， 并网逆变器及其控制技术越来越受到关注 。 并网发电运行的主要控制问题是逆变器输出正弦波电流 即并网电流 控制技术 ， 要求并网电流能实时跟踪电网电压频率 、 相位 ， 且电流的总畸变失真要低 ， 以减小对电网的谐波影响 。 因此对光伏并网发电系统的逆变器控制策略的研究具有重要的实际意义 。1 光伏并网逆变系统1．1 并网逆变系统拓扑结构并网拓扑结构如图 1 所示 ， 光伏电池阵列吸收太阳能并把它转化为电能 ， 经过 DC－ DC 直流升压变换电路 ， 和 DC－ AC 逆变电路 ， 输出所需交流电能 ， 并将其接在电网上即可实现太阳能并网发电 。图 1 光伏并网发电的拓扑结构1．2 DC－ AC 逆变器本文所研究的 3kW 光伏并网逆变系统 ［ 1］ ， 光伏电池板将吸收的光能转化为稳定的直流电压 ， 通过 DC－ DC 升压电路 ， 将电压输出幅值控制在 380V 左右波动 ， 且此 380V 直流电压加在DC－ AC 逆变电路上 ， 通过电流反馈控制和无源滤波器滤波 ， 与电网连接并向负载供电 。其中逆变器的设计核心是逆变桥电路 ， 这里采用全桥电路 ，通过对全桥 DC－ AC 电路的 IGBT 开关管进行通断控制 ， 将直流电能转化成交流电能后通过滤波器滤波进行并网 。 逆变器与电网并联运行的输出控制可分为电压控制和电流控制 ， 而电压控制须采用锁相控制技术来实现与电网电压的同步 ， 但是锁相环控制动态响应慢 、 且逆变器输出电压值不易精确控制 、 可能出现环流等问题 ， 故该逆变器的输出控制采用的是电流控制 ， 只需控 制 逆 变 器 的 输 出 电 流 跟 踪 电 网 电 压 便 可 达 到 并 网 运 行 的 目的 。 本文采用滞环比较方式对逆变器输出电流进行控制 。2 光伏并网逆变器电流滞环控制原理电流滞环控制是一种闭环电流跟踪控制方法 ， 它具有硬件结构简单 、 动态响应速度快 、 电流跟踪精度高 、 不依赖负载参数和不用载波等优点 ， 适合于逆变器并网运行控制 ［ 2－3 ］ 。滞环比较控制原理图如图 2 所示 。图 2 滞环比较原理给定参考电流 iref 和实际检测反馈并网电流 iL 进行比较 ， 两者的偏差作为滞环比较器的输入 ， 通过滞环比较器产生控制并网逆变器主电路中功率开关通断的 PWM 信号 ， 进而控制并网电流 io。其并网逆变器控制结构如图 3 所示 。 电流幅值与同步信号基于 Simulink 光伏并网逆变器滞环电流控制的研究齐 飞 金 海 （ 浙江理工大学信息学院 ， 浙江 杭州 310018 ）Research of Hysteresis － BandCurrent Control Grid － ConnectedPhotovoltaic Inverter Based on Simulink摘 要针对光伏并网逆变系统特点 ， 采用滞环电流控制方式对 3kW 单相光伏并网逆变器进行研究 。 对滞环电流控制方法进行理论分析 ， 并利用 Matlab ／ Simulink 搭建仿真模型进行仿真实验 。 仿真结果表明 ， 该控制方法保证了逆变器输出电流波形质量 ， 并使系统的输出电流和电网电压同频同相 ， 并网的功率因数接近为 1； 且分析了波形总谐波畸变率 。关键词 光伏 ， 并网逆变器 ， 滞环控制AbstractAccording to the characteristic of photovoltaic grid － connected inverter system,the paper adopts the mode of the hys-teresis － bandcurrent control to study 3kW single phase photovoltaic grid － connected inverter ． Theoreticalanalysis to the hys-teresis － bandcurrent control method, and simulated module is constructed by using Matlab ／ Simulink to make simulation ex-periment ． Simulationresults show that,the control method to ensured the quality of the inverter output current waveform,makethe system output current and grid voltage have the same frequency and direction,and the power factor after interconnec-tion close to 1． Meanwhile,the total harmonic distortion THD is analyzed ．Keywords photovoltaic,grid － connectedinverter,hysteresis － bandcontrol图 3 并网逆变器控制结构基于 Simulink 光伏并网逆变器滞环电流控制的研究104 工业控制计算机 2012 年第 25 卷第 7 期相结合产生参考电流给定值 ， 该同步信号是由所检测得到的电网电压经过锁相环节得到 。将电压 PI 调节器输出电流幅值指令乘以表示电网电压 的单位正弦信号后 ， 得到交流的电流指令 ， 并将它与实际检测到的并网电流信号进行比较 ， 当电流误差大于指定的环宽时 ， 滞环比较器产生相应的开关信号来控制逆变器增大或减小输出电流 ，使其重新回到滞环内 。 这样 ， 使实际电流围绕着指令电流曲线上下变化 ， 并且始终保持在一个滞环带中 。这种方式中 ， 滞环的宽度对电流的跟踪性能有较大的影响 。当滞环宽度较大时 ， 开关频率较低 ， 对开关器件的开关频率要求不高 ， 但跟踪误差较大 ； 当滞环宽度较小时 ， 跟踪误差较小 ， 器件的开关频率提高 ， 对器件的开关频率要求较高 。逆变器输出电压 U AB 和电网电压 U s 与电流 I 的关系为 U觶 AB ＝U 觶 s ＋j ω LI觶 ＋I 觶 R （ 1 ）式中 ω 为电网电压角频率 ， 其矢量关系图如图 4 所示 。3 建立滞环电流控制的仿真模型及分析基 于 以 上 滞 环 电 流 控 制 结 构 原理 分 析 ［ 4］ ， 利 用 Matlab ／ Simulink 仿真工具建立闭环的逆变仿真模型 ， 仿真图如图 5。该仿真系统部分控制参数为 滞环宽度为 0． 004， 并网电流反馈增益为 0． 18。图 6 是并网逆变器在稳态工作时输出的逆变电流及电网电压的仿真波形 图 6 并网电流与电网电压波形在图 6 中 ， 逆变电流基本跟踪上电网电压波形 ， 达到了同频同相要求 ， 实现了单位功率因数运行 。图 7 为稳态工作时并网电流频谱分析 ， 并网电流波形总谐波畸变率为 0． 28％ ； 图 8 为逆变器输出电压波形频谱分析 ， 总谐波畸变率 0． 44％ 。 通常规定并网逆变器输出电流与电压波形总谐波畸变率要求小于 5％ ， 现所得仿真结果完全达到规定标准要求 。 以上仿真结果验证了仿真模型建立的正确性以及滞环控制策略的有效性 。4 结束语本文通过对 3kW 单相并网逆变系统采用滞环电流控制策略建立仿真模型 ， 对逆变电流 、 电压及波形总谐波畸变率进行了仿真和分析 ， 仿真结果达到期望要求 ， 所采用的滞环电流控制法实现了并网电流单位功率因数运行 ， 为进一步深入研究光伏并网逆变器控制设计奠定了基础 。参考文献［ 1］ 陈厚岩 ， 许洪华 ． 3kW光伏并网逆变器 ［ J］ ． 可再生能源 ， 2005 （ 3 ） 8－ 10［ 2 ］ 顾和荣 ， 杨子龙 ， 邬伟扬 ． 并网逆变器输出电流滞环跟踪控制技术研究 ［ J］ ． 中国电机工程学报 ， 2006 ， 26 （ 9） 108－ 112［ 3 ］ Kojabadi H M,Gadoura I A, A novel DSP － based current －controlled PWM strategy for single phase grid connected in-verters [J] ． IEEE Transactions on Power Electronics, 2006,214985 － 993［ 4 ］ 李征 ． 光伏并网发电系统及其控制策略的研究 ［ D］ ． 天津 天津大学 ，2008［ 收稿日期 2012 ． 3． 11］图 4 并网逆变器矢量关系图 5 基于滞环控制方式的并网逆变仿真模型图 7 并网电流频谱分析图 8 逆变器输出电压频谱分析105