新型光伏逆變器及其前饋功率預(yù)測控制

郭 镥，羅 安，黎 燕，2，彭雙劍

（1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410075）

0 引言

隨著我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展壯大與成熟，光伏發(fā)電系統(tǒng)在配電網(wǎng)中滲透率不斷提高，光伏并網(wǎng)技術(shù)及其并網(wǎng)發(fā)電效率、系統(tǒng)成本等研究成為當務(wù)之急[1-2]。目前國內(nèi)外對于光伏并網(wǎng)技術(shù)的研究，硬件上絕大部分局限于三橋臂或者四橋臂的逆變器結(jié)構(gòu)[3-4]；對于光伏斬波升壓電路的研究，主要集中在經(jīng)典Boost升壓電路及基于升壓電路本身的最大功率點跟蹤（MPPT）算法實現(xiàn)上[5-6]；光伏并網(wǎng)發(fā)電效率及系統(tǒng)成本的控制，基本上圍繞光伏電池本身性能進行。通過研究光伏逆變器整體結(jié)構(gòu)及其控制方法來降低系統(tǒng)成本、提高光伏發(fā)電效率的很少。

本文提出一種新型光伏逆變器結(jié)構(gòu)，可有效提高光伏發(fā)電效率，降低光伏系統(tǒng)成本；同時基于分區(qū)尋優(yōu)預(yù)測算法的前饋功率預(yù)測控制，具有計算量小、運算速度快、實現(xiàn)簡單、控制精度高、可靠性高的顯著優(yōu)點，可簡化升壓電路控制，并省去傳統(tǒng)逆變器控制的直流側(cè)電壓閉環(huán)，由逆變器本身完成光伏陣列的MPPT功能，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度與可靠性。仿真與實驗均驗證了該逆變器結(jié)構(gòu)和控制方法的正確性與優(yōu)越性，其具有較大理論意義與實用價值。

1 新型光伏逆變器結(jié)構(gòu)

圖1為新型光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)圖。其中光伏陣列是由若干組光伏電池串并聯(lián)構(gòu)成，通常其輸出直流電壓波動范圍在200～400V之間。Super-Re-Lift型羅氏升壓電路[7-8]由箝位二極管VDpv、中間電容CM、與開關(guān)管串聯(lián)的2個正輸出羅氏升壓電路構(gòu)成。直流側(cè)采用由兩電容串聯(lián)結(jié)構(gòu)，并由電容中點引出輸出的C相線。逆變部分由三相四開關(guān)的兩橋臂逆變單元組成[9]。逆變器輸出經(jīng)電感Ls濾波后，由接觸器KM直接并入電網(wǎng)。

1.1 Super-Re-Lift型羅氏升壓電路

如圖1所示的Super-Re-Lift型羅氏升壓電路中，以左邊的正輸出羅氏升壓電路為例，假設(shè)開關(guān)VQpv的開關(guān)周期為T，其平均開關(guān)占空比為k。以電感L1為研究對象，其充電時間kT內(nèi)端電壓為Upv，其放電時間（1-k）T內(nèi)端電壓為UM-2Upv，則由電感LI充放電紋波平衡可得：

同理，可得：

綜合式（1）、（2），可得 Super-Re-Lift型羅氏升壓電路的整體升壓特性為：

由式（3）可知其升壓比在0.5～0.8的占空比區(qū)間內(nèi)高達9～36倍，明顯高于Boost升壓電路的2～5倍。當光伏陣列輸出電壓較低時，也可以將光伏輸出能量傳遞至逆變側(cè)；同樣的光伏出力時，其開關(guān)管占空比將降低，系統(tǒng)開關(guān)損耗也將減小，從而有利于整個光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的提高[10-11]。同時較大的升壓比也可以保證較高的直流側(cè)電壓，從而擴大兩橋臂逆變結(jié)構(gòu)的可靠安全運行范圍。此外，由于羅氏升壓電路中電容、電感器件都只起能量傳遞的作用，直流側(cè)電容成為有源輸出媒介，對器件本身要求不高，系統(tǒng)整體成本也將降低。

圖1 新型光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology of new-kind photovoltaic inverter

1.2 兩橋臂逆變電路

配電網(wǎng)中的光伏發(fā)電系統(tǒng)容量較小時，一般不參與電網(wǎng)頻率/電壓調(diào)節(jié)，研究時可考慮將其接入的電網(wǎng)系統(tǒng)等效為三相平衡的，此時可以采用成本較低的兩橋臂逆變結(jié)構(gòu)。如圖1設(shè)定兩橋臂逆變電路直流側(cè)電容中點為n，電網(wǎng)中性點為N，逆變器輸出點為 a、b、c，輸出電壓為 eaN、ebN、ecN，輸出電流為 ia、ib、ic，則由三相平衡系統(tǒng)特性可知：

同時由電路的基爾霍夫電壓定理可知：

結(jié)合式（4）、（5），可得兩橋臂逆變電路滿足：

綜合式（6）、（7）可知：在電網(wǎng)電壓保持不變的情況下，逆變器A、B兩相相應(yīng)的輸出電壓、電流通過輸出濾波電感而耦合。只需要控制逆變器A、B兩相輸出電流，就可以控制其相應(yīng)的輸出電壓，從而間接控制逆變器的輸出功率。

2 前饋功率預(yù)測控制

直流側(cè)電壓的動態(tài)平衡是新型光伏逆變器控制的核心。預(yù)測的光伏陣列最大功率輸出作為逆變器的指令信號，將能量逆變至電網(wǎng)側(cè)；同時Super-Re-Lift型羅氏升壓電路的開關(guān)管VQpv將以直流側(cè)電壓恒為Udc-ref為控制目標，將能量及時從光伏陣列輸送至直流側(cè)，從而實現(xiàn)直流側(cè)電壓動態(tài)平衡及光伏陣列MPPT功能。這種前饋功率預(yù)測控制方法將有效提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度[12]。

2.1 分區(qū)尋優(yōu)預(yù)測算法

關(guān)于光伏陣列輸出功率預(yù)測方法有很多[13-15]，但都比較復(fù)雜，工程實踐應(yīng)用困難。本文提出一種新型的分區(qū)尋優(yōu)預(yù)測算法。該算法具有計算量小、運算速度快、實現(xiàn)簡單、控制精度高、可靠性高等優(yōu)點，且工程實用價值高，完全滿足本文控制需要。

圖2（a）為某地區(qū)光照強度-溫度日平均曲線。為了將各種日照與溫度的自然工況（忽略其他因素影響）組合區(qū)分開來，可按照二維分區(qū)因子 ξ（x，y）將曲線所在的平面劃分為若干個區(qū)間，并按照光照-溫度分別升序排列對各個區(qū)間進行編號。當曲線上某點自然工況 X（x，y）= （Sx，Ty）滿足：

其中，Sn與Tn分別代表第n個區(qū)間的光照強度平均值與溫度平均值，ξx、ξy均為常數(shù)。可定義 X（x，y）為：

圖2 分區(qū)尋優(yōu)預(yù)測原理Fig.2 Theory of partitioned optimal prediction

為進一步減少運算量并實現(xiàn)光伏陣列輸出最大功率尋優(yōu)，如圖2（b）所示，可為劃分的第n個自然工況區(qū)間（即自然工況 X（x，y）=（Sx，Ty））在內(nèi)存相應(yīng)開辟一個有限長度為M的堆棧SPn。令棧內(nèi)元素初始值滿足式（10）：

其中，y=0，1，…，M-1；Pnm0為第 n 個自然工況區(qū)間內(nèi)光伏陣列對應(yīng)的最大初始功率輸出值；Pnmy為棧內(nèi)第y+1個元素對應(yīng)的光伏陣列最大功率輸出值，即某時刻光伏逆變器輸出的前饋功率指令值；Δφ為尋優(yōu)過程中逆變器輸出指令功率遞增差量；SPn-pos為指向當前有效棧頂位置的指針變量。

以直流側(cè)電壓參考值與實時值之差ΔεDC為參考變量進行新型光伏逆變器輸出最大功率尋優(yōu)運算。令ε0為其直流側(cè)電壓正常容許調(diào)節(jié)范圍，εup-max為正常工作時直流側(cè)電壓容許最大正誤差，εdown-max為正常工作時直流側(cè)電壓容許最大負誤差。則尋優(yōu)算法的運算規(guī)則可歸納如下。

當 ΔεDC≥0 時，有：

當 ΔεDC＜0 時，有：

分析上述算法可知：分區(qū)與尋優(yōu)過程中均不存在乘法運算，計算量很小；使用DSP系統(tǒng)后，運算速度可達納秒級；通過調(diào)節(jié) ξ（x，y）、Δφ、ε0等值，可方便地將直流側(cè)電壓控制精度維持在1 V左右，并有效保障整個系統(tǒng)的高可靠性。

2.2 新型光伏逆變器前饋功率預(yù)測控制

為充分利用太陽能，提高整個光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電的效率，本文將嚴格控制光伏逆變器輸出電流ia與電網(wǎng)電壓UaN同頻同相，從而保證輸出功率均為有功，其功率因數(shù)恒定為1。

圖3 新型光伏逆變器控制框圖Fig.3 Block diagram of photovoltaic inverter control

整個逆變器的前饋功率預(yù)測控制框圖如圖3所示，其中由分區(qū)尋優(yōu)預(yù)測模塊預(yù)測的光伏陣列輸出最大功率P*ref作為前饋指令信號，分別與采樣得到的A、B兩相實時電網(wǎng)電壓幅值的一半相除，得到A、B兩相指令電流幅值；同時將通過鎖相環(huán)（PLL）環(huán)節(jié)采樣得到的A、B兩相實時電網(wǎng)電壓UaN、UbN單位相位信號，與A、B兩相指令電流幅值相乘，可分別生成A、B兩相指令輸出電流ia*、ib*；最后指令電流與采樣的電網(wǎng)A、B相實時電流ia、ib構(gòu)成電流閉環(huán)，再經(jīng)PI環(huán)節(jié)生成PWM脈沖信號，控制相應(yīng)開關(guān)管通斷。

由于減少了直流側(cè)電壓閉環(huán)，新型逆變器整體控制實質(zhì)上僅存在一個PI延遲環(huán)節(jié)，實現(xiàn)簡單，響應(yīng)速度快，進一步提高了控制系統(tǒng)可靠性。

3 仿真與實驗

本文利用MATLAB軟件搭建了新型光伏逆變器仿真模型，并進行了2組對比仿真研究。其中光伏陣列由15串4并的光伏電池模型構(gòu)成，其輸入光照強度、溫度等連續(xù)可調(diào)，輸出電壓維持在250～350 V之間；配電網(wǎng)電壓為380 V，頻率為50 Hz；逆變器輸出電感為3 mH，等效電阻為0.02 Ω；直流側(cè)采用2個10mF電容串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其電壓參考值Udc-ref=1200V；Super-Re-Lift羅氏升壓電路中L1=L2=2 mH，C1=C2=CM=220 μF；光伏陣列輸出電容 Cpv=5 mF?？扇?ξ（x，y）=（5W/s2，0.01℃），ε0=1V，εup-max=εdown-max=5 V，φx=5 W。

3.1 仿真1

仿真中設(shè)定保持光伏電池模型輸入光照強度S=500 W/s2、溫度T=25℃不變，此時光伏輸出端電壓約為275 V，逆變器直流側(cè)初始電壓為零，分別采用Boost升壓+兩橋臂結(jié)構(gòu)與Super-Re-Lift+兩橋臂結(jié)構(gòu)進行光伏并網(wǎng)發(fā)電仿真，兩者都采用基于分區(qū)尋優(yōu)的前饋功率預(yù)測控制，其他條件保持一致，其仿真波形如圖4所示。

由圖4（d）可知，在同樣的自然工況下，新型光伏逆變器的輸出電流有效值為2.3 A，輸出功率為1 500 W，高于傳統(tǒng) Boost結(jié)構(gòu)（圖 4（b））的 1.8 A 和1200 W；如圖4（c）所示，新型光伏逆變器系統(tǒng)直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)建立平衡所需的時間為3 s左右，優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖 4（a））的 6 s?？梢?，采用新型光伏逆變器結(jié)構(gòu)，整體上具有明顯的優(yōu)越性。

圖4 不同拓撲結(jié)構(gòu)光伏逆變器仿真波形Fig.4 Simulative waveforms of photovoltaic inverters for different topologies

3.2 仿真2

為進一步驗證逆變器的整體控制策略的有效性與優(yōu)越性，仿真中假定溫度T保持不變，0.5 s時光照強度S突然從1000 W/s2升至2000 W/s2并保持不變。圖5為采用傳統(tǒng)雙PI控制以及新型基于分區(qū)尋優(yōu)的前饋功率預(yù)測控制，兩者都采用新型光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)時，相應(yīng)的直流側(cè)電壓Udc、逆變器輸出電流 ia、ib、ic及 A 相電網(wǎng)電壓（縮小至 1/150）波形。

如圖5（d）所示，當光伏輸出最大功率從2.5 kW突然增加至5 kW時，采用基于分區(qū)尋優(yōu)的前饋功率預(yù)測控制的系統(tǒng)響應(yīng)速度快，幾乎不需要時間，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的雙PI控制模式（圖5（b））長達3～4個周期的時間；對比分析圖 5（a）與圖 5（c）可知，采用新的控制策略，系統(tǒng)直流側(cè)電壓擾動范圍、振蕩調(diào)節(jié)時間都將減小。整個過程中光伏輸出功率因數(shù)始終為1，滿足控制要求，達到了設(shè)計的控制效果。

圖5 不同控制模式光伏逆變器仿真波形Fig.5 Simulative waveforms of photovoltaic inverter for different control strategies

同時在實驗室搭建了相應(yīng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，并制作了相應(yīng)的新型光伏逆變器實驗樣機。光伏陣列采用15串4并結(jié)構(gòu)，其直流輸出電壓在250～350 V之間，輸出額定功率為5 kW；升壓電路及逆變單元均使用英飛凌的BSM50GB170DN2系列的IGBT管，其為單橋臂螺栓型智能功率模塊，額定電壓1700 V、額定電流50 A；控制部分采用合眾達公司的DSP2812系列開發(fā)系統(tǒng)。當光伏輸出功率約為4.5 kW時，使用FLUKE電能質(zhì)量分析儀測量光伏逆變器直流側(cè)電壓、逆變單元輸出電流波形如圖6所示。

圖6 新型光伏逆變器實驗波形Fig.6 Experimental waveforms of new-kind photovoltaic inverter

實驗波形顯示，當某日中午日照穩(wěn)定時，光伏陣列最大功率輸出保持為4.5 kW，新型光伏逆變器的直流側(cè)電壓穩(wěn)定，輸出電流波形光滑且畸變率低，完全滿足并網(wǎng)要求，從而驗證了所設(shè)計的新型光伏逆變器及其控制方法的有效性和合理性。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型光伏逆變器結(jié)構(gòu)，并提出了一種相應(yīng)的基于分區(qū)尋優(yōu)預(yù)測算法的前饋功率預(yù)測控制方法。采用該逆變器結(jié)構(gòu)和控制方法可以有效降低光伏系統(tǒng)成本，提高光伏發(fā)電效率；同時簡化逆變器控制模式，減少運算量，提高系統(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度與可靠性。仿真與實驗均表明本文所提新型逆變器結(jié)構(gòu)及控制方法的有效性和優(yōu)越性。