無差拍控制在光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用

趙湘津 王世榮 高勝昌

摘要：輸出波形作為一個評判逆變器優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)之一，已經(jīng)有很多相關(guān)的控制策略。無差拍控制作為一種受干擾影響小，控制過程不會出現(xiàn)過沖且開關(guān)頻率不變等優(yōu)點的控制方式，已經(jīng)在很多方面得到應(yīng)用。本文首先對無差拍原理進(jìn)行分析，并對獲得PWM的占空比過程進(jìn)行了推導(dǎo)，給出了參考電流的得到方法，最后在MATLAB上就所得系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。

關(guān)鍵字：無差拍、逆變器、matlab、占空比

中圖分類號：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（a）-0000-00

1、引言

光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變部分做為其主要部分，歷來是研究重點。目前，國際上知名的光伏發(fā)電系統(tǒng)制造商都擁有自己特點的逆變器研究成果，在控制方式和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面都有各自的優(yōu)點。光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能好壞受逆變部分的效率和性能的影響也最大。

現(xiàn)在已經(jīng)有了很多關(guān)于電流的控制方式無差拍控制方法與這些方法相比，最大的有點就是受外部信號干擾小，可以實現(xiàn)無過沖的控制過程?；谝陨蟽?yōu)點，逆變部分的控制方式采用無差拍控制，對于系統(tǒng)逆變部分的性能和效率也有很大的改善。

當(dāng)前，已經(jīng)有了很多基于電流的控制策略，而無差拍控制不但在很多工作條件下性能可靠，而且在控制過程中沒有過沖現(xiàn)象，還受外部干擾影響小，基于這些優(yōu)點，提高了系統(tǒng)輸出電能的質(zhì)量。

2、無差拍控制在光伏逆變器中的應(yīng)用

2.1、無差拍控制原理

利用系統(tǒng)狀態(tài)方程以及對系統(tǒng)當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)，通過計算可以得到下一周期開關(guān)的控制量，來實現(xiàn)輸出量對輸出量的跟蹤目的，這就是無差拍控制。詳細(xì)來說，對于每一個采樣周期的控制量（脈寬控制量），都是通過系統(tǒng)的狀態(tài)方程，由對下一采樣周期的預(yù)估值和當(dāng)前的狀態(tài)向量計算出來的。所以對系統(tǒng)的實時運算的能力，該控制方式有著很高的要求。設(shè)連續(xù)系統(tǒng)方程為：

（1）

若第k次時刻的脈寬量為，直流側(cè)的電壓為E。X（k+l）用預(yù)估參考狀態(tài)代替，則上式可變?yōu)槿缦滦问剑?/p>

（2）

通過式（2）可以得到脈寬量，而且可以在第k時刻輸入PWM發(fā)生器，得到想要的PWM波。因此，如果在第k次采樣周期內(nèi)能夠?qū)ο乱淮尾蓸又芷诘膮⒖紶顟B(tài)進(jìn)行預(yù)估，那么根據(jù)上面的算法，在第k+1次采樣周期的狀態(tài)代替參考狀態(tài)，達(dá)到無差拍控制的目的。

2.2、逆變器數(shù)學(xué)模型

單級式三相光伏逆變器主電路圖1所示。其中u為電網(wǎng)電壓；i為逆變器輸出電流；電路的等效電阻是R；濾波電感是L；直流側(cè)母線電壓是Udc；直流側(cè)母線電容是C。

圖1 主電路結(jié)構(gòu)圖

在以下條件下對上面的電路數(shù)學(xué)建模：

（1） 電網(wǎng)電壓為理想電壓（純正弦且三相平衡）；

（2） 濾波電感為不用考慮飽和的線性電感；

（3） 功率器件為理想開關(guān)。

為了不考慮高頻分量，能夠直接用于控制器設(shè)計中，本模型采用占空比的描述形式。設(shè)逆變橋的開關(guān)函數(shù)為：

所以上述電路可以表達(dá)為如下形式：

（3）

將上面方程離散化。假設(shè)、、分別是第k個周期采樣電流的參考值，T是采樣周期，現(xiàn)在令逆變橋各相的占空比為、、，、、。因為電網(wǎng)基波頻率只有50Hz，而系統(tǒng)的控制頻率通常都有數(shù)千兆赫，所以在一個控制周期里，我們一般可以不考慮光伏陣列端電壓和電網(wǎng)三相電壓的變化，這樣方程離散化后可變?yōu)槿缦滦问剑?/p>

（4）

我們可以注意到式（4）各方程不獨立，只是兩兩獨立，這里我們設(shè)該逆變橋上、下橋臂的開關(guān)器件總導(dǎo)通時間相等，則我們可以得到式（5）：

（5）

聯(lián)立式（4）、式（5）可有：

通過上式就可以求得PWM的占空比：

按照上式計算求得的占空比就能夠該系統(tǒng)逆變橋?qū)崿F(xiàn)要求的控制目的。

3、三相逆變器仿真及結(jié)果分析

為了驗證前面數(shù)學(xué)模型的性能，在 Simulink 在建立仿真模型，其主電路結(jié)構(gòu)同圖2。系統(tǒng)主要參數(shù)：

圖2 單級式三相光伏逆變器仿真模型

通過上面的模型，可以發(fā)現(xiàn)控制頻率為5kHz時，對輸出電流控制的效果最好。采用無差拍PWM控制時，光伏并網(wǎng)逆變器輸出三相電流及A相電流跟蹤電網(wǎng)電壓如下圖：

圖3 逆變器輸出三相電流

圖4 A相電流對電網(wǎng)電壓進(jìn)行跟蹤

4、結(jié)論

從上面的仿真結(jié)果可以得到，無差拍控制應(yīng)用到逆變橋開關(guān)量控制的效果很好，不但并網(wǎng)波形好，而且控制的精度也高，能夠完成逆變器單位功率因數(shù)并網(wǎng)運行，是一種不錯的并網(wǎng)控制策略。

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