基于級聯(lián)逆變器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制策略

摘要：提出了基于混合控制的級聯(lián)逆變器光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的雙級控制策略。通過控制電流瞬時值反饋滯環(huán)控制單元輸入電壓值為恒定，將輸入電壓控制和光伏系統(tǒng)并網(wǎng)電流控制解耦，簡化了控制器設(shè)計。該雙級控制策略可在進(jìn)行最大功率點跟蹤(MPPT)的同時保證并網(wǎng)電流質(zhì)量。對該控制策略進(jìn)行了分析，對瞬時值反饋單元雙環(huán)控制器參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計。最后進(jìn)行了實驗，結(jié)果驗證了所提出的控制方法的有效性。

關(guān)鍵詞：逆變器；瞬時值電流反饋控制；光伏并網(wǎng)

1 引言

目前，傳統(tǒng)單級式或多級式太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的不足有：并網(wǎng)逆變器開關(guān)管工作頻率相對較高，損耗較大；為了逆變器正常工作，光伏電池需串聯(lián)到足夠的電壓等級，不僅使開關(guān)管電壓應(yīng)力高，而且系統(tǒng)的可靠性降低，系統(tǒng)抗電池局部陰影能力減弱；采用集中式MPPT，將嚴(yán)大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，為提高系統(tǒng)的可靠性及效率，避免更多的太陽能光伏電池串聯(lián)，文獻(xiàn)提出了一種階梯波與電流瞬時值反饋混合控制的級聯(lián)逆變器來實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電。在此基礎(chǔ)上，對基于混合控制的級聯(lián)逆變器光伏發(fā)電系統(tǒng)控制策略進(jìn)行了分析，對瞬時值反饋單元雙環(huán)控制參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計，為基于混合控制級聯(lián)逆變器的光伏系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)提供了理論參考，并通過實驗驗證了理論分析的正確性。

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制策略

2．1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于級聯(lián)逆變器兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中前級是DC／DC雙管交錯式Boost電路，后級是由2H橋組成的級聯(lián)逆變器。電路由N+M個2H橋單元級聯(lián)而成。第1～N個2H橋為階梯波控制，第N+1～N+M個2H橋單元為電流瞬時值反饋倍頻移相SPWM控制或電流滯環(huán)跟蹤控制。限于篇幅，此處僅對階梯波與電流滯環(huán)混合控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。

圖2為階梯波與電流滯環(huán)跟蹤混合控制框圖。第1～N+1 DC／DC變換器單元將光伏電池陣列電壓進(jìn)行升壓并完成對光伏電池的MPPT。第1～

N2H橋單元為梯形波控制，第N+1個2H橋單元為電壓電流雙環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)為滯環(huán)控制。鎖相環(huán)(PLL)使并網(wǎng)電流iL與電網(wǎng)電壓ug同相位，PLL電路給出的參考基準(zhǔn)乘以電壓外環(huán)的輸出，即為電流內(nèi)環(huán)的輸入?yún)⒖茧娏?。該電流與iL比較的誤差信號通過電流放大器放大后經(jīng)滯環(huán)控制，產(chǎn)生第N+1 2H橋單元控制信號。第N+1 2H橋單元輸出電壓us(N+1)應(yīng)與第1～N 2H橋單元輸出的階梯波電壓同相，通過PLL，DSP計算出導(dǎo)通脈沖，使前N～1個逆變器單元的輸出電壓寬度分別為(θN～π-θN)，(θN-1～π-θN-1)，…，(θ1～π-θ1)，即工作在不同的模式。

2．2 級聯(lián)逆變器單元的控制策略

圖2中，計算出直流母線電壓參考值與采樣得到的實際電壓值誤差，再通過一個比例積分環(huán)節(jié)得到DC／AC逆變器輸出電流的幅值指令I(lǐng)ref，然后將Iref與電網(wǎng)電壓同步的單位正弦信號sin(ωt)相乘得到輸出電流指令值Irefsin(ωt)，再將Irefsin(ωt)與采樣值的誤差通過電流調(diào)節(jié)器后，經(jīng)滯環(huán)比較后通過驅(qū)動電路去控制第N+1 2H橋單元DC／AC逆變器的開關(guān)管。

當(dāng)ug與iL同相時，逆變器輸出電壓在相位上超前于ug。故第1～N2H橋單元輸出的階梯波電壓應(yīng)與瞬時值反饋控制的2H橋單元的輸出電壓us(N+1)同相，通過PLL給出與us(N+1)同相的階梯波基波電壓，然后由DSP實時采樣第1～N2H橋單元直流母線電壓，計算出各2H橋單元導(dǎo)通脈沖。

3 瞬時值反饋單元雙環(huán)控制分析

3．1 瞬時值反饋級聯(lián)逆變器單元電流內(nèi)環(huán)設(shè)計

電流內(nèi)環(huán)采用三態(tài)DPM電流滯環(huán)控制，控制框圖如圖3所示。

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按I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。除考慮電流內(nèi)環(huán)快速跟蹤性能，對于并網(wǎng)逆變器雙環(huán)控制系統(tǒng)，電流內(nèi)環(huán)帶寬至少為電壓環(huán)帶寬的5～10倍。當(dāng)輸出電感為25 mH，電感等效電阻取為0．4 Ω時，Ts取0．1 ms時，ki取16。采用單P環(huán)直接電流控制的電流內(nèi)環(huán)頻率響應(yīng)和階躍響應(yīng)如圖4所示。

由圖4a可見，電流閉環(huán)帶寬大于基波頻率的10倍，對于基波電流跟蹤穩(wěn)態(tài)精度高；由圖4b可見，電流閉環(huán)響應(yīng)速度很快，不到1 ms。對于電壓外環(huán)而言，電流內(nèi)環(huán)可等效為一受控電流源，其傳遞函數(shù)可表示為圖3b。

3．2 瞬時值反饋級聯(lián)逆變器單元電壓外環(huán)設(shè)計

設(shè)瞬時值反饋單元直流輸入功率為級聯(lián)逆變器總的輸出功率，即饋入電網(wǎng)功率的λ(λ<1)倍，忽略逆變器的損耗，認(rèn)為逆變器直流輸入功率等于輸出功率，即：。

圖5為電壓外環(huán)控制框圖。

圖中一階低通濾波器GLPF用來濾除直流側(cè)電容電壓中的諧波成分，使其不參與反饋。PI調(diào)節(jié)器設(shè)為：Gv=Kpv(τpvs+1)／s，低通濾波器設(shè)為：GLPF=1／(TLPFs+1)，則電壓開環(huán)傳遞函數(shù)為：

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將逆變器設(shè)計為典型的Ⅱ型系統(tǒng)：取TLPF=T2=10ms，λ=0．435，Udc(N+1)=160V，kif=0．2，CN+1=5600μF，則有Kd≈0.42，Kpv≈3.2，PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為0．16。將設(shè)計出的參數(shù)代入式(3)，可得電壓外環(huán)的頻率響應(yīng)及階躍響應(yīng)如圖6所示。由圖6a可見，系統(tǒng)可等效為一截止頻率為18．8 Hz(閉環(huán)帶寬)的低通濾波器，能很好地抑制母線電壓諧波分量，保證了穩(wěn)態(tài)輸入電流質(zhì)量。由圖6b的母線電壓單位階躍響應(yīng)可知，電壓調(diào)節(jié)時間約為80ms。

4 實驗結(jié)果

設(shè)計了基于3個2H橋單元構(gòu)成的級聯(lián)逆變器的單相10 kWp光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。前兩個2H橋單元為梯形波控制，在標(biāo)準(zhǔn)光照和環(huán)境溫度下，逆變單元輸入直流母線電壓分別為80 V，160 V，第3個2H橋單元為三態(tài)DPM電流滯環(huán)跟蹤控制，輸入直流電壓為160 V。并網(wǎng)電流濾波電感L=2．5 mH。圖7為基于級聯(lián)逆變器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電流閉環(huán)控制實驗結(jié)果。由圖可見，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相位。在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時，并網(wǎng)電流幅值指令發(fā)生變化。圖7a，b分別為電流幅值指令為40 A和60 A時實驗波形，相應(yīng)并網(wǎng)功率分別為6．22 kW，9．33 kW。即隨著光照強(qiáng)度增強(qiáng)，并網(wǎng)電流和功率增加，實現(xiàn)了對光伏輸出功率點跟蹤。

5 結(jié)論

這里提出了通過控制級聯(lián)逆變器輸入直流母線電壓值為恒定，來實現(xiàn)輸入電壓控制(功率控制環(huán))和光伏系統(tǒng)并網(wǎng)電流控制(電能質(zhì)量控制環(huán))的解耦的控制方法，通過仿真及實驗進(jìn)行了驗證，其結(jié)果與理論分析一致。系統(tǒng)實現(xiàn)了對光伏輸出的最大功率點跟蹤，驗證了所提控制方法的有效性。