三相光伏并网逆变器的PR控制技术研究

http://www.paper.edu.cn - 1 - 中国 科技论文在线三相光伏并网逆变器的 PR控制技术研究 #苏秀娥，周克亮，朱力 **基金项目： 高等学校博士点基金 (项目批准号： 20070286013)及江苏省六大人才高峰计划 (项目批准号：2008116) 作者简介： 苏秀娥 (1984.6-),女，硕士研究生，主要研究方向：新能源发电技术通信联系人： 周克亮 (1970-),男，教授 (博士生导师 )，主要研究方向：电力电子与电力传动、控制理论与应用、新能源发电技术 . E-mail: ekzhou@seu.edu.cn （东南大学电气工程学院，南京 210096 ）摘要： 本文建立了三相光伏并网逆变器的数学模型，分析了三相系统中采用传统 PI 控制器的优缺点， 在此基础上给出了三相光伏并网逆变器的比例谐振控制方案。 仿真结果表明该方案能够得到良好的逆变器输出并网正弦电流，实现近似单位功率因数并网。关键词： 比例谐振控制；光伏并网；三相逆变器中图分类号： TM464 Proportional-Resonant Control of Three-Phase PV Grid-Connected Inverter SU Xiu e, ZHOU Keliang, ZHU Li (School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096) Abstract: In this paper, the mathematic model of three-phase PV grid-connected inverter is given, and the advantages and disadvantages of the traditional PI controller used in three-phase systems are discussed. A digital proportional-resonant (PR) control is proposed to achieve\ zero tracking error for three-phase PV grid-connected inverter. Simulation results are provided to show that the sinusoidal output currents and unit power factor are achieved with the proposed control scheme. Key words: Proportional-Resonant Control; PV Grid-Connected; Three-Phase Inverter 0 引言随着传统能源的日趋减少以及环境的日益恶化， 太阳能以其清洁、 取之不尽、 用之不竭等特点， 受到世界各国的普遍关注。 光伏并网发电技术作为太阳能大规模利用的主要发展趋势， 正处于快速发展阶段。 逆变器作为光伏发电系统与电网之间的重要接口， 其控制策略的选取直接影响到逆变器输出正弦并网电流的好坏。 因此， 研究逆变器控制策略的文章层出不穷， [1]中介绍了三相整流器的同步旋转的 PI 控制器，该控制算法利用坐标变换将三相对称交流信号转化为两相直流信号，并要求解耦运算； [2] 将无差拍电流控制应用到两级式单相光伏并网发电系统逆变器的控制中， 在光照强度和环境温度稳定的情况下， 该方法有较好的稳态特性和动态特性； [3] 深入分析了基于内模原理的重复控制算法，并将其应用在三相可逆 PWM 整流器中， 即使在负载不平衡的条件下也可以保证近似单位功率因数和稳定的直流电压； [4]采用了同步旋转坐标系下 PI ( 比例积分 )控制与谐波扰动重复控制相结合的复合控制算法，使逆变器输出电流谐波含量低，电流波形质量较好。本文在以上电流控制的基础上， 给出了基于内模原理的比例谐振控制算法， 该算法不需要复杂的坐标变换， 省略了电压前馈， 避免了电网电压的波动对控制效果的影响。 仿真结果表明该方案能够得到良好的逆变器输出并网正弦电流，实现近似单位功率因数并网。http://www.paper.edu.cn - 2 - 中国 科技论文在线1 光伏逆变系统的组成如图 1 所示，三相光伏并网逆变系统由太阳能电池阵列、 DC/DC 变换器、三相逆变桥、滤波电感及电网组成。图 1 三相光伏并网逆变系统组成示意图在图 1 所示的三相光伏并网逆变系统中， DC/DC 环节实现光伏阵列的 MPPT 和升压变换； DC/AC 环节实现直流逆变为交流和并网控制的功能。 DC/DC 变换和 DC/AC 变换独立控制，各自控制目标明确；由于具有 DC/DC 直流升压变换，光伏阵列的电压等级有更广范围的选择。光伏阵列的输出电压经 DC/DC 电路控制后变得稳定，对逆变器工作影响小，控制系统设计相对简单。 因此图 1 所示的三相光伏并网逆变系统能获得较大的输出功率和较好的并网电流，更适用于光伏发电系统。2 MPPT 算法众所周知，光伏电池板的输出功率随着环境的变化而变化，如，光照和温度。因此，在光伏系统中对光伏电池板进行实时的最大功率跟踪控制就变得尤为重要 [5][6] 。最大功率跟踪有很多种实现算法，如，爬山法 [8]，电导增量法 [7][8] ，恒电压及其他 [8]。本文采用电导增量法来实现最大功率点跟踪，如图 2 所示。图 2 实现最大功率点跟踪的电导增量法表 1 给出了太阳能电池阵列的部分参数， 根据表 1 给出的数据， 按照 DC-DC 升压电路，利用 MATLAB/SIMULINK 仿真来验证图 2 所示的电导增量法实现最大功率点跟踪的有效性。仿真结果如图 3 所示。从图 3 可以看出， 在 1.5s 时光照强度由 1000W/m 2变化到 600W/m 2， 太阳能电池阵列的http://www.paper.edu.cn - 3 - 中国 科技论文在线最大功率点随即发生改变，最大功率点处的电流电压也在 0.1s 内调整到一个新的工作点。因此，图 2 给出的电导增量法能够很好的跟踪太阳能电池阵列的最大功率点。图 3 太阳能电池阵列稳定时的仿真波形： a)光照强度变化； b)太阳能电池最大功率点功率变化； c)太阳能电池最大功率点电流； d)太阳能电池最大功率点电压3 三相并网逆变器及其控制策略并网型三相光伏逆变器的拓扑结构如图 4 所示。图中 C 为直流母线稳压电容， dcu 为直流母线电压， dci 为输入逆变桥的母线电流， 1 6~S S 为逆变桥的六个功率开关器件， L 为并网滤波电感。图 4 并网型三相光伏逆变器的拓扑结构选取滤波电感的电流为状态变量， 当系统三相平衡时， 根据基尔霍夫定律列出相应的状态方程如下：asa a a dcbsb b b dccsc c c d cdca a b b c cd iu L Ri s ud td iu L R i s ud td iu L Ri s udtd uC i s i s i sd t? = + +??? = + +??? = + +??? = + +?(1) 在式 (1)中， ks 表示开关函数， k=a、 b、 c 表示 A、 B、 C 三相：http://www.paper.edu.cn - 4 - 中国 科技论文在线1ks = ：表示逆变器的上桥臂导通，下桥臂关断；0ks = ：表示逆变器的上桥臂关断，下桥臂导通；为了便于分析与设计， 将 abc 三相静止坐标系下的逆变器数学模型通过坐标变换转换到αβ 坐标系下：s dcs dcdcdiu L Ri s udtdiu L Ri s udtduC s i s idtαα α αββ β βα α β β? = + +??? = + +??? = +??(2) 其中： su α ， su β 分别为输入电压的 ,α β 分量值；si α ， si β 分别为输入电压的 ,α β 分量值；sα ， sβ 分别是开关函数的 α 分量， β 分量。 三相逆变器的状态方程在以与电网电压同步频率旋转的坐标系中， 三相对称交流量就变成了直流量，这样就可以简化相应的模型，在控制时，经典的 PI 控制器就可以实现无静差跟踪。利用三角函数关系可以推导出 dq旋转坐标系下的数学模型为：dsd d q d dcqsq q d q dcdcd d q qdiu L Ri Li s udtdiu L Ri Li s udtduC s i s idtωω? = + + +??? = + - +??? = -??(3)由 (3)式可以看出，在 dq 旋转坐标系下， sdu 与 squ 是相互耦合的，需要对其进行解耦。因此三相光伏逆变器的电压前馈完全解耦控制框图如图 5 所示。图 5 三相逆变器电压前馈完全解耦控制框图由图 5 可以看出，传统的同步旋转坐标系下的 PI 控制需要多次复杂的坐标变换和控制解耦。又两相静止坐标系下 α 轴和 β 轴的状态方程直接实现了完全解耦，可将三相逆变器等效为两个相互独立的单相逆变器进行控制 [9]。两相静止坐标系下 α 轴和 β 轴上的信号均为交流信号， [10] 提出的比例谐振控制可以实http://www.paper.edu.cn - 5 - 中国 科技论文在线现对交流信号的无静差跟踪。这样三相逆变器的比例谐振控制框图可描述如图 6 所示。图 6 三相逆变器的比例谐振控制框图与图 5 相比， 三相逆变器的比例谐振控制器少了复杂的坐标变换及解耦控制， 也不需要电压前馈，减少了电网波动对控制效果的影响。4 仿真结果按照图 1 给出的系统图， 根据表 2 所示的系统参数及表 3 给出了系统控制电路参数， 采用比例谐振控制算法，利用 MATLAB/SIMULINK 进行仿真。当光照强度变化时，系统可以实现最大功率点跟踪，如图 3 所示。在 1.5s 时，当光照从 1000W/m 2 变化到 600W/m 2 时，系统仅用 0.1s 又跟踪上了最大功率点。当光照发生变化时，直流侧电压可以很好的跟踪给定参考电压，如图 7 所示。图 7 逆变器直流侧电压 U dc 由图 7 可以看出， 在 1.5s 时 当光照强度发生变化时， 逆变器直流侧电压在 0.1s 内也跟上了参考值。用本文介绍的控制算法，得到了正弦输出电流 iac，从图 8a)可以看出，其功率因http://www.paper.edu.cn - 6 - 中国 科技论文在线数接近单位功率因数；图 8b)给出了输出交流电流的 THD ，为 3.22%。图 10 逆变器的仿真结果 a) 并网电网电压和电感电流； b) 电感电流的 THD5 结论本文给出了一种比例谐振控制算法， 该控制算法不需要复杂的坐标变换和解耦运算， 就可以实现交流信号的零稳态误差跟踪， 使三相光伏并网逆变器具有高质量正弦输出电流。 仿真结果验证了该算法的有效性。[参考文献 ] (References) [1] Cichowlas, M., Kamierkowski, M.P. “ Comparison of current control techniques for PWM rectifiers ” , IEEE 2002. 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