光伏并网逆变器控制策略的研究

中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学， 2013 F-184 光伏并网逆变器控制策略的研究杨秋霞，宁思远燕山大学电气工程学院Email: ysu_ningsy@163.com 摘 要： 随着光伏产业的发展，光伏并网逆变器的控制策略越来越受到重视。本文研究了光伏并网逆变器的各种控制策略。在综合了已有的几种控制策略基础上，设计了基于锁相环技术与电网电压前馈补偿的复合控制策略，并建立了控制系统仿真模型。仿真及实验结果表明此方法具有较满意的控制效果，且谐波含量 THD 最小。关键词： 光伏并网；逆变器；电压前馈控制；滞环控制Research of Grid-Connected PV Inverter Control Yang Qiuxia, Ning Siyuan School of Electrical Engineering of Yanshan University Email : ysu_ningsy@163.com Abstract: With the development of photovoltaic(PV) industry, grid-connected PV inverter control strategy has been paid more and more attention. In this paper, a variety of grid-connected photovoltaic inverter control strategy is studied. Basis on a combination of several kinds of control strategies of existing, composite control based on phase-locked loop technology and grid voltage feed-forward compensation strategy is designed. Then control system simulation model is established, the simulation and experimental results show that the method has a satisfactory control effect, and the harmonic content THD minimum.Keywords: photovoltaic grid-connected; inverter; voltage feedforward control; hysteresis control 1 引言光伏发电将在未来成为安全可靠的可再生能源发电的主要形式之一， 并且随着并网技术的逐渐成熟， 甚至将成为电力主要供应形式，拥有广阔的市场前景 [1]。逆变技术主要应用于交流电动机的传动、 变频电源、 不间断电源 (UPS)、市电电源的无功补偿器、有源滤波器等所有需要将直流电能变换成交流电能的地方 [2] 。光伏发电系统所发出的电能为直流电， 如果想并入电网， 就必须使用逆变器对电能进行转换， 将直流电转换为交流电。 逆变器控制主要是对逆变器输出的正弦电流进行控制， 在保证输出电流与电网电流同频率、 同相位的基础之上， 还要保证输出电流含有较少的谐波， 即THD值控制在要求范围内。 因此， 研究光伏并网逆变器的控制策略有重要意义。2 光伏并网逆变系统2.1 光伏并网逆变器拓扑结构图 1. 光伏并网逆变器拓扑结构光伏并网逆变器拓扑结构如图所示，本文采用的逆变器为单相电压型 PWM 逆变器。 L 为滤波电感， R为负载。 Ud 为输入的直流电压， Uo 为输出电压， Igrid为并网电流， Unet 为电网电压。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。2.2 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。滞环比较控制原理图如图 2 所示。滞环比较器i refi gridΔi图 2. 光伏并网逆变器拓扑结构将电网参考电流 i ref 与逆变器输出的并网电流 igrid进行比较，两者的误差 Δ i 作为滞环控制部分的输入，当电流误差 Δ i 大于指定的环宽时，滞环比较器输出PWM 脉冲信号来控制功率开关器件的开断，从而实现对并网电流的控制。中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学， 2013 F-184 其并网逆变器控制结构如图 3 所示。 电流幅值与同步信号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。图 3. 滞环控制系统基于滞环控制的逆变器的工作过程如下：首先对网侧电压进行锁相处理，获得与其同步的并网参考电流相位信息，进而得到完整并网电流参考信号；再将该电流参考信号与实测的并网电流进行比较，比较所得的差值送入滞环比较器，得到逆变器开关的控制信号， 从而控制逆变桥输出 ,使得并网电流跟踪参考信号变化。2.3 电压前馈控制原理本文在以电流内环控制的基础上，引入电网电压前馈补偿来抑制电网电压扰动的控制策略，以达到改善逆变器输出并网电流的目的。电流内环要求逆变环节输出的并网电流能够快速地跟随并网参考电流，是整个光伏并网控制系统设计中关键部分之一；通过在控制系统中加入电网电压的前馈补偿，从而可以减少并网电压波动对逆变系统输出的并网电流的影响。其控制框图如图 4 所示， 其中 GN(s)为电网电压的前馈补偿环节， I ref 为给定的并网参考电流， Igrid 为逆变器输出的实际并网电流为， Gpi(s)为 PI 调节控制环节， Ginv(s)为逆变系统环节， GT(s)为滤波环节。图 4. 电压前馈控制电流跟踪系统框图2.3.1 电流内环设计取滤波电感 L 上的电流 Igrid 作为状态变量， 利用基尔霍夫电压定律（ KVL ）可推导出逆变器输出电路的电压平衡方程：netgridgrido URIdtdILU ++= (1) 对式 (1)进行拉普拉斯（ Laplace）变换，可得：)]()()[()]()([1)(sUsUsGsUsURsLsInetoTnetogrid-=-+= (2) 式 (2)中， GT(s)=1/(sL+R)是滤波器的传递函数。忽略功率开关器件、 PWM 开关周期及死区时间等非线性因素的影响， 全桥逆变系统的传递函数在 SPWM 控制方式下可视为一高增益的惯性环节，其传递函数为：1)( += sT KsGpwmpwminv (3) 其中， Tpwm 是一时间常数， K pwm 是逆变器增益，且 K pwm =Ud /Lm， Lm 是控制算法环节调节器的饱和限幅值。PI 控制器的传递函数为：sKsKsG ippi+=)( (4) 因此，光伏并网逆变系统的开环传递函数如下所示：RsLsTKsKsKsGpwmpwmip+++= 11)((5) 2.3.2 电压前馈补偿参数设计电网电压前馈补偿如图 4 中虚线部分所示。当电网处于恶劣环境时，电网电压会出现不对称甚至畸变情况，会严重到整个光伏系统正常运行。此外，电网电压剧烈波动会影响逆变器输出的并网电流。可以将电网电压视为扰动信号，在没有施加电网电压前馈补偿情况下，如图 4 中实线部分所示。此时电网电压对输出并网电流 Igrid 传递函数为：)()()()(1 )()( sUsGsGsGsGsInetTinvpiTgrid -= (6) 此时的系统误差为：)()()()(1 )()()( sUsGsGsG sGsIse netTinvpiTgriderr --=-= (7) 在加入电网电压前馈补偿后， 此时的系统误差为：)()()()(1)]()(1)[()()( sUsGsGsGsGsGNsGsIsenetTinvpiinvTgriderr -+-=-= (8) 在上式中， 若令 GN（ s） =1/-Ginv（ s） ， 则有 eerr=0。通过在并网逆变系统中加入电网电压前馈控制，使得电网电压对逆变环节输出的并网电流影响减为最小，从而使系统在理论上达到完全补偿的效果。2.3.3 PI 调节器参数设计为获得最佳的性能效果，将控制系统设计成一个中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学， 2013 F-184 二阶系统， 用 “ 二阶最佳工程设计法 ” 对 PI 控制器参数进行整定选取，二阶闭环系统的传递函数的一般形式为：)(11)( 21221TTsTsTs <++=Φ (9) 根据自动控制理论，为了让二阶系统输出具有很好的动态品质特性，即系统输出量能够快速完全地跟踪给定参考量，由此可求出二阶系统品质最佳的开环传递函数为：)2211(21)(211sTsTs+=Φ (10) 令 PI 控制器传递函数如下所示：sKsKKsKsKsGiipippi 11)(+=+= (11) 为了使并网逆变环节中时间常数 Kp/KI 能被 PI 控制器抵消，可设定：LRKKip = (12) 所以控制系统的开环传递函数为：RsLsTKsKsKKsGsGsGpwmpwmiippi +++== 1111)()()( 1)1(1sTKKsRpwmipwm+??=(13) 将式 (13)和式 (10)对照，可得系数ipwm KKRT?=12 (14) pwmTT =1221 (15) 即可解得：pwmpwmi TKRK?= 2(16) pwmpwmp TKLK?= 2(17) 由此可得到经校正的系统闭环传递函数为：1221)(1)()(22 ++=+=?sTsTsGsGsGpwmpwm(18) 该控制策略在以电流环设计的基础上引入电网电压前馈补偿，其设计核心还是基于 PID 控制技术的，P、 I 参数的整定是建立在逆变控制系统函数模型的基础上，而式 (3)的逆变传递函数是一种经验模型，只能作为理论指导值， 在实际应用中需根据实际时间常数、分布参数进行适当调整。3 仿真实验及结果分析本论文通过运用 Matlab 中的 Simlink 模型库和Simpowersystem模型库搭建了仿真模型。分四组进行了实验：实验 1：指定参考电流及电压前馈复合控制；实验 2： 基于锁相环技术电流滞环控制； 实验 3： 锁相环技术与 PI 调节复合控制；实验 4：电压前馈控制与锁相环复合控制。其中直流电压源电压为 400V， 用交流电压源代替电网，电压为 311V，频率为 50Hz。参考电流幅值为40A，电感值为 0.004H，电阻值为 0.01? 。 PI 调节器参数 Kp=12， Ki=300。实验 1 仿真波形：图 5. 实验 1 电流波形图 6. 实验 1 FFT 分析图实验 2 仿真波形：图 7. 实验 2 电流波形图 8. 实验 2 FFT 分析图实验 3 仿真波形：中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学， 2013 F-184 图 9. 实验 3 电流波形图 10. 实验 3 FFT 分析图实验 4 仿真波形：图 11. 实验 4 电流波形图 12. 实验 4 FFT 分析图实验 1-4 的仿真波形如上述图所示，在电流波形图中曲线 1 为实际仿真并网电流波形，曲线 2 为参考电流波形。并且对输出的并网电流波形进行了分析。图 5 为实验 1 电流波形，由于没有加入锁相环技术，所以并网电流稍稍滞后于参考电流。实验 2-4 由于加入了锁相环技术，所以这三项实验的并网电流达到了和参考电流同频率，同相位。图 6、 18、 10、 12 为四个实验并网电流的 FFT 分析，分析起始时间为 0.1s，分析周期为 1 个周期，最大分析频率为 2000Hz。根据 GB/T20231 规定，光伏并网逆变器的谐波含量应不大于 5%。从图中可以看到，四个实验并网电流的总谐波失真 (THD) 都达到了规定的要求， 但是实验 1， 2 由于只有单一的一种控制方式，所以含有较大的谐波，分别为 3.62%和 2.54%。实验 3 是锁相环技术与 PI 调节复合控制， 实验结果显示谐波明显下降，达到了 1.77%。实验 4 在实验 3 的基础之上又加入了电压前馈控制环节，使得谐波含量进一步下降至 1.69%，达到了预期效果。因此实验 4的控制策略为最优策略，其并网电流和电网电压关系如图 13所示。图 13. 并网电流和并网电压关系图4 结论本文通过对电流滞环控制和电压前馈控制的分析，设计了一种在电流闭环控制的基础之上，加入以上两种控制方式的复合控制方式， 并且运用 Matlab 进行了仿真。 通过对实验结果的分析， 达到了预期效果。复合控制方式下输出的并网电流谐波含量 THD 值最小。 为今后进行其他控制方式的复合奠定了一定基础。参考文献[1] 张子西 . 光伏发电及其并网的研究 [J]. 科技世界， 2012，9(25) ： 320-321. 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