三相光伏并网逆变器的研究!!!

定 稿 日 期 ： 2011-01-20作 者 简 介 ： 姚 为 正 （ 1967- ）， 男 ， 湖 南 临 湘 人 ， 副 教 授 ， 研 究方 向 为 可 再 生 能 源 并 网 变 流 技 术 。1 引 言随着传统能源的日益枯竭，全球面临严重的能源危机， 同时， 大量使用化石燃料给环境带来严重危害 。 要解决能源问题， 只能依靠大规模地开发利用可再生绿色能源 。 太阳能是公认的技术含量最高 、 最有发展前景的新能源， 具有储量大 、 普遍 、经济和清洁环保等优点 。 太阳能主要用于光伏并网发电， 其核心是并网逆变器 。 因此对光伏并网逆变器控制方法的研究具有一定现实意义 。 这里建立了三相并网逆变器的数学模型，提出了同步旋转坐标系下电压电流双闭环控制方案，并设计了100 kW 单级式三相太阳能光伏并网发电系统 。2 三相并网逆变器数学模型采用 LCL 结构的滤波网络实现并网逆变器与电网的连接， 如图 1 所示 。 此处采用电压电流双环控制 、 SVPWM 调制方式 。 主要参数为： 直流母线电容 C=4 400 μ F， LCL 型滤 波 器 中 网 侧 电感 L f =0.1 mH， 滤波电容 Cu=210 μ F， 逆变器侧电感 L T=0.2 mH， 开关频率 fs=4.2 kHz [1-2] 。由文献 [3] 可知， LCL 滤波器在 d， q 坐标系下d， q 轴电流 i d， i q 受到较多耦合量的影响，若对耦合量全部进行解耦， 引入的状态量较多， 使得控制器设计非常复杂，此外与控制器设计相关的系统参数非常多，使其性能非常依赖于建模时各参数的精确度 。 由于 LCL 滤波器在低频（ 约低于滤波器谐振频率的一半） 时的表现性能和电感型滤波器 L 相近， 其电感值 L =L T+L f， 而 PWM 整流器控制器是基于基波设计的 。 从频域特性可证明 LCL滤波电容器的存在不影响电流环 PI 控制器的低频动态特性，因此可忽略 Cu，同时忽略电感寄生电阻的影响， 从工程角度对滤波器模型进行简化 [4] 。将三相静止 a， b， c 坐标系下的数学模型进行Clarke 和 Park 变换后，可得三相电压型 PWM 整流器在 d， q 坐标系下的数学模型为：Ldid/dt- ω Li q=ud- ed， Ldi q/dt+ω Li d=uq- eqCdUdc/dt=i-3 （ idsd+iqsq） /! 2（ 1）式中： ud=sdUdc； uq=sqUdc。三相光伏并网逆变器的研究姚为正 1， 付永涛 1， 芦开平 1， 王 林 2（ 1. 上海理工大学，上海 200093； 2. 许继集团，河南 许昌 461000）摘 要 ： 介绍了单级式三相光伏系统拓扑结构 。 基于光伏电池数学模型， 利用 Matlab 建立了太阳能光伏阵列通用的仿真模型， 并将此电池模型用在三相光伏并网逆变仿真系统中 。 系统具有最大功率点跟踪（ MPPT） 功能， 能很好地实现光伏发电系统最佳工作点跟踪 。 最后通过仿真和实验分析表明该控制策略正确可行 。关 键 词 ： 逆变器；光伏并网；最大功率点跟踪中图分类号 ： TM464 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1000-100X （ 2011） 07-0005-02Research on Three Phase Photovoltaic Grid -connected InverterYAO Wei -zheng1， FU Yong-tao1， LU Kai-ping1， WANG Lin 2（ 1. University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）Abstract ： This paper presents the structure of three phase photovoltaic grid-connected system.A simulation model forphotovoltaic array simulator under Matlab environment based on the mathematical modules of PV arrays is built up.The simulation model of photovoltaic array simulator is used in three phase photovoltaic grid -connected system.Thesystem includes the function of maximum power point tracking（ MPPT） .It can make photovoltaic grid-connected inverterwoke in the best point.The feasibility and rightness of the method are verified through this simulative analysis.Keywords ： inverter； photovoltaic grid-connected； maximum power point tracking图 1 单级式三相并网逆变拓扑第 45 卷第 7 期2011 年 7 月电力电子技术 Vol.45， No.7July 2011PowerElectronics3 三相逆变器的控制策略由式（ 1） 可见， d， q 轴变量互相耦合， 因而无法对 i d， iq 进行单独控制，对控制器的设计造成困难 。 为此， 引入 id， i q 的前馈解耦控制， 对 ud， uq 进行前馈补偿， 且由于 PI 调节器中的比例部分能迅速响应控制作用， 积分部分则最终消除稳态偏差，因此采用 PI 调节器作为电流环控制器， 则有 [5] ：ud=- （ Kp+Ki/s） （ i d*- id） +ed- ω Li quq=- （ Kp+Ki/s） （ i q*- i q） +eq+ω Li d!（ 2）经补偿后， 可实现完全解耦控制， id， i q 分别独立控制， 其系统控制框图如图 2 所示 。 在三相 VSR控制系统设计中， 采用电压外环 、 电流内环的双闭环控制结构 。 图中输出电压 Udc 和给定参考电压Udc* 比较后， 送入电压 PI 控制器， 电压控制环的输出信号作为网侧电流有功分量给定值 i d* ，为达到单位功率因数， 设定无功分量给定值 iq* =0。 i d* ， i q*与网侧经变换后的反馈值比较后， 送入电流 PI 调节器， 在前馈解耦和 Park 逆变后得到三相网侧电压在两相静止坐标系上的控制信号， 经过 SVPWM模块后， 输出 6 路 SVPWM 控制信号， 从而实现对整流器的控制 。 Udc* 通过 MPPT 得到， 这里采用电导增量法来实现 MPPT[6] 。4 系统稳定性分析LCL 滤波器与 L 滤波器相比，滤除高次谐波效果较好， 但存在谐振， 系统可能不稳定 。 在滤波器上串联或并联电阻等无源元件可抑制谐振 。 通常取 Rd 的值约为谐振点容抗 1/（ ω rCu） 的 1/3， 此处为 0.3 Ω 。 图 3 示出桥臂侧电压到网侧电流的波特图 。 曲线 a 为不接电阻， b 为网侧电感串联电阻， c 为滤波电容串联电阻 。 可见， 电容串联电阻对谐振点抑制作用最好，减小阻尼电阻抑制作用降低， 但会降低对高频谐波的抑制作用， 增加电路损耗， 因此电容串联阻尼电阻值不宜太大 。 选取电感串联电阻虽可抑制谐振，但因流过阻尼电阻的电流为系统额定电流， 系统损耗将大幅增加 。 这里选取电容串联电阻的方法抑制谐振，绘制了桥臂侧电压到网侧电流电容串联电阻与没有串联电阻的根轨迹如图 4 所示 。 由图 4 可见， 电容串联电阻选取合适的参数值可使系统工作在稳定区域， 没有阻尼电阻的系统处于零界稳定， 稳定裕度较低 。随着 PI 调节器比例增益的增加， 系统闭环极点移入虚轴的左半平面内， 不能保证系统稳定运行 。5 仿真与实验研究5.1 仿真研究根据太阳能光伏并网逆变系统的设计方案，在 Matlab 中根据太阳能电池特性搭建了电池模型并构成了整个系统仿真电路 。 设计主要参数为：C=4 400 μ F， Lf =0.1 mH ， Cu=210 μ F， LT=0.2 mH， fs=4 kHz。 取电网电压线电压有效值为 270 V。 为抑制LCL 滤波器谐振点， 选取 Rd=0.3 Ω ， 其中 MPPT 模块由 S 函数编写，同时为保证能够快速跟踪到最大功率点， 令初始电压指令值为 500 V 。光伏 逆 变系统 包 含电池 阵 列 模 型 、 MPPT 模块 、 SVPWM 模块 、 控制模块 、 锁相环 PLL 模块 、 逆变主电路等部分 。 在温度恒定 25 ℃ ， 0.3 s 时太阳辐射强度从 1 kW/m 2 降至 750 W/m 2 条件下进行仿真 。 由仿真结果可知， a 相并网电流 i a 稳定， 且与电压 ua 同频反相， 实现高功率因数并网， 系统能很好地跟踪最大功率并实现并网 [7] 。5.2 实验研究基于理论分析， 研制了一台 100 kW 的三相光伏并网逆变器 。 取 C=4 400 μ F， LCL 型滤波器中取L f =0.1 mH ， Cu 为 三相星 型 接法的 电 容模块 ， Cu =70 μ F， LT=0.2 mH。 为实现光伏电池较大的工作范围及电气隔离， 并网侧加入 270/400 (下 转 第 16 页 ）图 2 系统控制框图6第 45 卷第 7 期2011 年 7 月电力电子技术 Vol.45， No.7July 2011PowerElectronics波形 。 比较可见， 在系统开机后两种算法均能使光伏阵列快速 、 准确地跟踪到 MPP， 但当光照强度突然变化时，图 6a 中输出电压出现了大幅跌落， 输出功率也会随之出现大幅跌落， 引起系统振荡， 降低了系统跟踪精度， 而图 6b 中输出电压在小幅度波动后稳定地工作在最佳电压处 。 实验结果表明，采用改进后的变步长 INC 算法，在光照强度突变时系统能快速 、 稳定地跟踪到 MPP， 且基本消除了系统在 MPP 振荡的现象， 具有良好的动态和稳态性能， 跟踪效果明显优于变步长 INC 算法 。4 结 论在研究现有定步长和变步长的光伏阵列最大功率点跟踪控制算法的基础上，介绍了一种新型的改进变步长电导增量最大功率点跟踪算法， 克服了现有变步长电导增量法在光照强度剧烈变化时， 因算法错误计算出的步长引起的功率 、 电压跌落和系统振荡 。 实验表明，在太阳光照剧烈变化时， 采用改进变步长电导增量算法， 系统能快速 、准确地跟踪到最大功率点并很好地稳定在最大功率点工作，基本消除了系统在最大功率点振荡的现象， 保持系统稳定， 表现出良好的动态性能 。参考文献[1] Esram T， Chapman P L.Comparison of Photovohaic ArrayMaximum Power Point Tracking Techniques[ J]. 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