基于分布式電源并網(wǎng)逆變器控制策略與仿真研究

1 分布式電源并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 DC-DC變換器

DC-DC變換器是通過(guò)半導(dǎo)體閥器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作將直流電壓先變?yōu)榻涣麟妷?，?jīng)整流后又變?yōu)闃O性和電壓值不同的直流電壓的電路，這里要闡述的是中間經(jīng)過(guò)變壓器耦合的直流間接變換電路。DC-DC變換器在將直流電壓變換為交流電壓時(shí)頻率是任意可選的，因此使用高頻變壓器能使變壓器和電感等磁性元件和平波用電容器小型輕量化。如今，隨著半導(dǎo)體閥器件的進(jìn)步，輸出功率為100 W以上的電源實(shí)際上采用的開(kāi)關(guān)頻率都在20~500kHz范圍內(nèi)，MHz級(jí)高頻變換器也在開(kāi)發(fā)研究之中。而且，通過(guò)變換頻率的高頻化，可以使平波用電容的容量減小，從而能夠使用陶瓷電容等高可靠性的元件。而且，本文在舉例闡述動(dòng)作原理是采用雙極功率晶體管、IGBT、MOSFET等開(kāi)通關(guān)斷可控的器件作為直流電壓變換為交流電壓的半導(dǎo)體閥器件，使用最多的還是MOSFET.

1.2 直流母線電壓PID控制器設(shè)計(jì)

作為直流母線400V電壓必須具有一定的穩(wěn)定性，不應(yīng)該隨著負(fù)載的變化或電池電壓的改變而產(chǎn)生波動(dòng)。因此必然需要用到反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。由于PID控制器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)，其優(yōu)異的動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)特性，以及方便靈活的參數(shù)整定方法，因此在逆變并網(wǎng)器中直流母線的電壓控制選擇PID控制算法。

在閉環(huán)控制系統(tǒng)里，將調(diào)節(jié)器置于純比例作用下，從小到大逐漸改變調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，得到等幅振蕩的過(guò)渡過(guò)程。此時(shí)的比例系數(shù)稱為臨界比例系數(shù)Ku,相鄰兩個(gè)波峰間的時(shí)間間隔，稱為臨界振蕩周期Tu.

1.3 逆變并網(wǎng)鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

鎖相環(huán)分為模擬鎖相環(huán)和數(shù)字環(huán)鎖相。模擬鎖相環(huán)在電路可靠性、穩(wěn)定性和集成度方面有著不可克服的缺陷：數(shù)字鎖相環(huán)又分為由數(shù)字邏輯器件構(gòu)成的全數(shù)字邏輯鎖相環(huán)和基于DSP的軟件鎖相環(huán)。全數(shù)字邏輯鎖相環(huán)路由邏輯器件構(gòu)成。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓（SIGNAL）周期和相位的采樣，這里利用了一個(gè)遲滯比較器把信號(hào)源的模擬采樣信號(hào)（SIGNAL）整形為矩形波（TO_DSP）然后通過(guò)TMS320F28X的捕獲單元得到電網(wǎng)電壓的頻率和相位信息。在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意的是，由于軟件是通過(guò)電網(wǎng)電壓的上升沿來(lái)獲得周期和相位信息的，因此在硬件的設(shè)計(jì)上應(yīng)當(dāng)保證電網(wǎng)電壓的過(guò)零點(diǎn)和正弦波整形得到的矩形波的上升沿保持一致（即不能有延時(shí)），這就要求計(jì)算遲滯比較器的上限觸發(fā)電平U+為0 V.

遲滯比較器的上、下限觸發(fā)電平為：

式中：U+,U-為遲滯比較器的上、下限觸發(fā)電平；UOH,OL為輸出電壓的上下限（UOH為5 V,UOL為0 V）；UR為比較器的基準(zhǔn)電壓，這里為0V.

交流有效值定義為：

式中：x（t）為被測(cè)交流信號(hào)；Xeff為對(duì)應(yīng)的有效值；t是時(shí)間；T是交流信號(hào)的周期。式（3）給出的有效值包含了基波和諧波的共同貢獻(xiàn)，通常稱這種有效值為真有效值，有時(shí)也稱為方均根值。

對(duì)于數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)，式（3）變成：

式中：xm（k）為交流信號(hào)在kTs時(shí)刻的采樣值（也稱采樣數(shù)據(jù)），Ts為采樣周期，下標(biāo)m代表該采樣值采自交流信號(hào)的第m個(gè)周波，k代表在第m個(gè)周波內(nèi)的第k次采樣（k=1,2,…，N）；N是在交流信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)的采樣次數(shù)或采樣點(diǎn)數(shù)。 1.4 改進(jìn)MPPT算法

傳統(tǒng)MPPT算法，即爬山法，是一種比較實(shí)用的MPPT控制算法，這種方式雖在一定程度上減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，但由于周期性尋優(yōu)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的輸出電壓造成周期性的波動(dòng)。

改進(jìn)MPPT算法基本思想是：

（1）利用過(guò)山車法，即先將光伏電池陣列兩端電壓U1鉗制在蓄電池電壓U2處，再逐漸增加U1,使光伏電池陣列的輸出功率點(diǎn)由小到大，經(jīng)過(guò)MPP后，繼續(xù)增大U2,使輸出功率比最大輸出功率小于一個(gè)閾值△P1.輸出功率由小變大，再變小，一定會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)最大點(diǎn)。在輸出功率變化過(guò)程中，記錄下光伏電池陣列輸出最大功率時(shí)的輸出電壓Umax;

（2）根據(jù)光伏電池陣列輸出最大功率時(shí)記錄下的Umax,利用穩(wěn)壓程序（可利用PID控制）將U1鉗制在記錄下的Umax上，實(shí)現(xiàn)光伏電池陣列以最大功率穩(wěn)定地輸出能量；

（3）當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化（由于在短時(shí)間內(nèi)，環(huán)境溫度的變化對(duì)系統(tǒng)輸出功率的變化影響不大，可以忽略），即輸出電壓Umax時(shí)的輸出功率P1與之前的Pmax之間差值超過(guò)一定閾值△P時(shí)，若P1>Pmax,說(shuō)明光照強(qiáng)度增加了，MPP處的輸出電壓也相應(yīng)增大了，所以此時(shí)應(yīng)啟動(dòng)按增加光伏電池陣列輸出電壓的方向用過(guò)山車法尋找MPP程序。

2 分布式電源并網(wǎng)逆變器仿真

2.1 DC-DC直流升壓PID控制仿真

作為直流母線400 V電壓必須具有一定的穩(wěn)定性，不應(yīng)該隨著負(fù)載的變化或電池電壓的改變而產(chǎn)生波動(dòng)。因此必然需要用到反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。

針對(duì)DC-DC直流母線硬件結(jié)構(gòu)以及控制方式對(duì)被控模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，由于PWM裝置的數(shù)學(xué)模型與晶閘管裝置一樣，在控制系統(tǒng)中的作用也一樣。因此，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為10kHz時(shí)，T=0.1 ms,在一般電力自動(dòng)控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，故其傳遞函數(shù)為：Ws（s）≈Ks/（TS+1） （5）

這與晶閘管的傳遞函數(shù)完全一致。但需要注意，式（5）是近似的傳遞函數(shù)，實(shí)際上PWM變換器不是一個(gè)線性環(huán)節(jié)，而是具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)。繼電控制系統(tǒng)在一定條件下會(huì)產(chǎn)生自激振蕩，這是采用線性控制理論的傳遞函數(shù)不能分析出來(lái)的。根據(jù)式（5）結(jié)合本設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)頻率10 kHz可以建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型為：Ws（s）≈（400/9）/（1e-4+1） （6）

如圖1（a）為進(jìn)一步進(jìn)行PID參數(shù)整定后的PID輸出電壓響應(yīng)曲線，可以看出即使在外界認(rèn)為施加干擾的情況下PID調(diào)節(jié)器輸出電壓還保持在許可范圍內(nèi)。圖1（b）所示為進(jìn)一步進(jìn)行PID參數(shù)整定后直流母線電壓響應(yīng)曲線?？梢钥吹郊幢阍谕饨缯J(rèn)為施加干擾的情況下直流母線電壓仍可自動(dòng)穩(wěn)定在400V的要求電壓。這能為后續(xù)的SPWM逆變并網(wǎng)提供穩(wěn)定的直流母線電壓；而由于硬件電路限制，由于PID控制一推挽電路，而該推挽電路僅可提供0~12V的調(diào)節(jié)，考慮這一點(diǎn)所設(shè)計(jì)出來(lái)的PID調(diào)節(jié)器輸出在0~12V范圍之內(nèi)。 2.2 逆變并網(wǎng)器并網(wǎng)仿真

逆變并網(wǎng)是將逆變器所產(chǎn)生的正弦電壓，在同頻同相同幅的情況下進(jìn)行并網(wǎng)。并通過(guò)鎖相環(huán)調(diào)節(jié)并網(wǎng)電壓以及電流，使它們達(dá)到同相，改善電能質(zhì)量，從而提高傳統(tǒng)電網(wǎng)穩(wěn)定性。針對(duì)這一點(diǎn)，本設(shè)計(jì)建立元件級(jí)Simulink仿真。能有效減少失誤率，提高并網(wǎng)可靠性，因此建立該仿真模型是很有必要的。模型中設(shè)計(jì)了相應(yīng)的PID調(diào)節(jié)器，并對(duì)MPPT算法進(jìn)行編寫(xiě)相應(yīng)S函數(shù)。

太陽(yáng)能電池的伏安特性如圖2（a）所示，它表明在某一確定的日照強(qiáng)度和溫度下，太陽(yáng)能電池的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系，簡(jiǎn)稱V-I特性。從V-I特性可以看出，太陽(yáng)能電池的輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)近似恒定，在接近開(kāi)路電壓時(shí)，電流下降率很大。

由圖2（a）可知，該伏安特性曲線具有強(qiáng)烈的非線性。太陽(yáng)能電池的額定功率是在以下條件下定義的：當(dāng)日射S=1 000 W/m2,太陽(yáng)能電池溫度T=25℃時(shí)，太陽(yáng)能電池輸出的最大功率便定義為他的額定功率。太陽(yáng)能電池額定功率的單位是“峰瓦”,記以“Wp”.相應(yīng)日射強(qiáng)度下太陽(yáng)能電池輸出最大功率的位置，稱為“最大功率點(diǎn)”.根據(jù)Matlab提供的太陽(yáng)能電池板模型的輸出特性曲線可知當(dāng)前條件下，最大功率點(diǎn)為241.8V時(shí)輸出2083W.經(jīng)過(guò)MPPT算法后，太陽(yáng)能輸出電壓自動(dòng)跟蹤輸出時(shí)最大功率點(diǎn)時(shí)的對(duì)應(yīng)電壓，而其亦以最大功率穩(wěn)定輸出。即輸出為238.7V時(shí)，功率為2084W.對(duì)比之前實(shí)際太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)數(shù)據(jù)，最大功率點(diǎn)為241.8V時(shí)輸出2083W.可以看出該算法基本能跟蹤太陽(yáng)能電池板的最大功率點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文針對(duì)分布式電源并網(wǎng)過(guò)程中的直流升壓、同步鎖相、逆變并網(wǎng)動(dòng)態(tài)過(guò)程，研究了基于電網(wǎng)特點(diǎn)的FIR數(shù)字濾波、交流采樣和穩(wěn)定直流母線電壓的數(shù)字PID控制器等技術(shù)，提出了相應(yīng)的控制策略并進(jìn)行Simulink動(dòng)態(tài)仿真，研究工作對(duì)分布式電源并網(wǎng)逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論上具有一定指導(dǎo)作用。