三相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的控制策略

趙振民， 張 寧， 楊 成

(1.黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱 150022； 2.山西電力公司檢修分公司，太原 030000)

三相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的控制策略

趙振民1， 張 寧2， 楊 成1

(1.黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱 150022； 2.山西電力公司檢修分公司，太原 030000)

針對LCL濾波器的諧振和單個Boost可靠性問題，通過LC型濾波器解決三相光伏并網(wǎng)逆變器的諧振，采用前級交錯并聯(lián)Boost升壓電路使系統(tǒng)具有冗余性。利用模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)的跟蹤，保證了光伏電池能夠工作在最大功率點(diǎn)。運(yùn)用重復(fù)控制與PI控制相結(jié)合的方法，解決擾動的問題。采用SVPWM調(diào)制策略，提高了直流電壓利用率。在此基礎(chǔ)上，搭建Matlab模型。結(jié)果表明:仿真分析正確，加入PI和重復(fù)并聯(lián)控制后，整個系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，諧波干擾較小，輸出波形的質(zhì)量得到提高。

光伏并網(wǎng)； SVPWM; 最大功率點(diǎn); 重復(fù)控制

0 引 言

光伏發(fā)電是一種簡易而清潔的太陽能利用方式，光伏電池能將入射光直接轉(zhuǎn)換成電又不會產(chǎn)生噪聲、污染，而且發(fā)電裝置牢固、可靠、壽命長久。多數(shù)并網(wǎng)逆變器側(cè)接LCL濾波器，導(dǎo)致該系統(tǒng)為三階系統(tǒng)，存在諧振問題[1]。經(jīng)典PI控制算法雖簡單，但有死區(qū)的存在，會對電網(wǎng)電壓造成周期性的擾動，就可能造成輸出三相電流的畸變性[2]。為此學(xué)者們在光伏逆變器控制方面做了大量的研究。文獻(xiàn)[3]中描述使用重復(fù)控制對周期擾動信號無差跟蹤特點(diǎn)提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。文獻(xiàn)[4]中描述的是基于電導(dǎo)增量法的MPPT技術(shù)，雖然電導(dǎo)增量法能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，但對檢測系統(tǒng)精準(zhǔn)度要求較高，并且計算過程比較復(fù)雜，在一定場合受到了很大限制。文獻(xiàn)[5]中是基于滯環(huán)比較的變步長觀察擾動法的MPPT技術(shù)，雖有效解決了傳統(tǒng)觀察擾動法穩(wěn)態(tài)精度低，響應(yīng)速度差等缺點(diǎn)，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制較為繁瑣。文獻(xiàn)[6]中采用了一種基于改進(jìn)型分區(qū)的SVPWM的單級三相Boost逆變器的調(diào)制方法，優(yōu)點(diǎn)是具有更大的升壓比、更高的功率密度和變換效率、更小的儲能電感、輸出濾波器和并網(wǎng)電流THD，但該方法控制復(fù)雜。

上述研究中或多或少地存在一些不足和遺憾，筆者試圖采用模糊控制的MPPT方法，運(yùn)用PI控制加上重復(fù)控制并聯(lián)結(jié)構(gòu)，使整個系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定，性能更好，減小諧波干擾，提高輸出波形的質(zhì)量。

1 電路拓?fù)?/h2>

LC型濾波器的三相光伏并網(wǎng)逆變器電路如圖1所示。圖1中ipv為光伏陣列輸出直流電，Cdc為直流側(cè)電容，idc為逆變器的輸入電流，R1為濾波電感的等效電阻，濾波電感與電容分別為L1和C。is為電網(wǎng)側(cè)的并網(wǎng)電流，Usk(k=a,b,c)為電網(wǎng)電壓。

圖1 LC型主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 模糊控制的MPPT技術(shù)

MPPT的控制過程就是通過對輸出電壓電流的控制，比較兩個時刻的功率大小，使其不斷的逼近于最大功率點(diǎn)附近。通過不斷調(diào)節(jié)電壓電流，當(dāng)?shù)竭_(dá)最大功率點(diǎn)時，使其在最大功率點(diǎn)附近振蕩，不停的動態(tài)尋優(yōu)[7]。在控制過程中，不需要明確的控制模型，也不需要準(zhǔn)確的溫度與光照，僅需測量判斷出光伏電池的工作區(qū)域。因此，運(yùn)用模糊控制[8]來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤是比較合適的[9]。

通常將輸入變量分別設(shè)為光伏電池P-U曲線上連續(xù)兩點(diǎn)的斜率值dP/dU和斜率的變化值ΔdP/dU，將兩個時刻電壓變化值與載波比較后產(chǎn)生的占空比作為輸出量，通過ΔU控制占空比。工作過程如下：

(1)dP/dU>0，ΔdP/dU<0。表示工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左側(cè)，并正靠近最大功率點(diǎn)，保持?jǐn)_動方向不變。

(2)dP/dU>0，ΔdP/dU>0。表示工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左側(cè)，并正遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)，擾動方向改變，擾動電壓為正，占空比變化為負(fù)。

(3)dP/dU<0，ΔdP/dU>0。表示工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)右側(cè)，并正靠近最大功率點(diǎn)，保持?jǐn)_動方向不變。

(4)dP/dU<0，ΔdP/dU<0。表示工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)右側(cè)，并正遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)，擾動方向改變，擾動電壓為負(fù)，占空比變化為正。

遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)區(qū)域工作時，采用較大步長跟蹤，隸屬函數(shù)形狀為梯形。反之，采用小步長跟蹤，隸屬度函數(shù)形狀為較陡的三角形。模糊控制規(guī)則如表1所示，其中NB,NS,Z,PS,PB分別代表負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大。

表1 模糊控制規(guī)則

在Matlab中通過專用的模糊控制箱實(shí)現(xiàn)這一控制過程。分別設(shè)dP/dU，ΔdP/dU，ΔU為5個模糊子集，即

dP/dU={NB,NS,Z,PS,PB},

ΔdP/dU={NB,NS,Z,PS,PB},

ΔU={NB,NS,Z,PS,PB}。將dP/dU，ΔdP/dU論域分為17個等級，ΔU論域分為11個等級，則

dP/dU={-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6,+7,+8};

ΔdP/dU={-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6,+7,+8};

ΔU={-5,-4,-3,-2,-1,0,+1+2,+3,+4,+5}。

dP/dU、ΔdP/dU、ΔU的隸屬度函數(shù)分別如圖2所示：隸屬度范圍為0～1。

a dP/dU

b ΔdP/dU

c ΔU

在Matlab中,搭建的仿真模型其中用Transport Delay實(shí)現(xiàn)延時處理，以便得到dP/dU和ΔU上一時刻的值。主要功能由模糊控制器來實(shí)現(xiàn)完成，為了更真實(shí)的模擬光照強(qiáng)度變化，用一個階躍函數(shù)進(jìn)行模擬，在0.4 s處光照強(qiáng)度從600增加到1 000 W/S2。模糊控制下光伏電池輸出電壓跟輸出功率波形如圖3所示。

a

b

從圖3可以看出，輸出電壓在經(jīng)過小段時間波動調(diào)節(jié)后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，輸出功率經(jīng)過調(diào)節(jié)后能夠很快進(jìn)行跟蹤，處于穩(wěn)定。當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化后，電壓發(fā)生了變化，輸出功率也能夠做出很快的響應(yīng)，調(diào)節(jié)迅速，使光伏電池工作在最大功率點(diǎn)附近，并處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 PI+重復(fù)控制的控制策略

三相光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法是整個控制過程的核心。基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，設(shè)計了PI控制與重復(fù)控制相結(jié)合的方法進(jìn)行電流的直接控制，實(shí)現(xiàn)逆變器的并網(wǎng)控制要求。

重復(fù)控制是根據(jù)內(nèi)膜原理實(shí)現(xiàn)的，內(nèi)膜就是包含有外部輸入信號的穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)對電流的無差調(diào)節(jié)，是一種常見的電流控制方法[10]。

根據(jù)內(nèi)膜定理，當(dāng)開環(huán)傳遞函數(shù)含有正弦模型表達(dá)式ωn2/(s2+ωn2)時，就可以得出在閉環(huán)控制下能夠?qū)θ喙夥⒕W(wǎng)逆變器的輸出波形實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。同時還有一些因數(shù)會影響輸出波形，比如死區(qū)的存在。此處主要考慮諧波對輸出波形的影響，如果對不同頻率的諧波都采用內(nèi)膜原理進(jìn)行控制，就會使整個控制系統(tǒng)變得異常復(fù)雜，所以一般會將整個系統(tǒng)的相應(yīng)周期信號進(jìn)行抽象處理，最終獲得一個與之相對應(yīng)的系統(tǒng)，使得這一個系統(tǒng)具有內(nèi)膜的作用。

設(shè)一個周期信號如下：

r(t)=r(t-kT)，(k=1，2，…，n)，

(1)

經(jīng)過拉氏變換后得

(2)

令t=τ+kT，代入式(2)得：

(3)

(4)

又因?yàn)閞(t-T)的拉氏變換為eTsR(s)，可得到周期為T的傳遞函數(shù)為：

(5)

式(5)表示引入一個延遲的周期信號，是一個正反饋量，它對于具有重復(fù)性，周期性的各種不同信號，都會在輸出中自動疊加上一周期信號的響應(yīng)，具體數(shù)學(xué)模型如圖4所示。其中N為一個周期的采樣次數(shù)。在實(shí)際控制中，內(nèi)膜的實(shí)現(xiàn)通常使用離散化的形式。

圖4 重復(fù)控制中內(nèi)膜控制模型

Fig. 4 Repeat control endometrial control model

重復(fù)控制就是利用內(nèi)膜原理進(jìn)行控制，利用其擾動的特性，將周期信號進(jìn)行延遲處理，在波形發(fā)生畸變前就可以提前獲得一個校正信號，再加上正反饋的累加性，將校正信號疊加到下一信號中，起到消除誤差的作用，最終獲得所需的輸出響應(yīng)。

文中將采用PI和重復(fù)控制并聯(lián)的方法，控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)擾動比較大時，即產(chǎn)生的誤差突變較大時，PI調(diào)節(jié)器起到主要的調(diào)節(jié)作用，降低系統(tǒng)的整體誤差，當(dāng)這個突變周期被調(diào)節(jié)過后，重復(fù)控制器起主要調(diào)節(jié)作用，改善輸出波形，使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 PI與重復(fù)控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)

Fig. 5 PI and repetitive control combines the control system of FIG

4 仿真結(jié)果與分析

文中設(shè)計了10 kVA的三相光伏并網(wǎng)逆變器，直流側(cè)電壓為700 V，電網(wǎng)電壓為220 V，開關(guān)頻率為10.5 kHz，電網(wǎng)頻率50Hz，總諧波失真小于5%，通過前面分析可得：濾波電感為L=2.25 mH，濾波電容為C=10.96 μF。設(shè)計的PI調(diào)節(jié)器的仿真模型如圖6所示。為了使控制系統(tǒng)性能完善，針對擾動設(shè)計了重復(fù)控制器，使其與PI控制器并聯(lián)使用，用來補(bǔ)償校正輸出波形，重復(fù)控制的仿真模型如圖7所示。

圖6 PI調(diào)節(jié)器仿真模型

圖7 重復(fù)控制器仿真模型

圖8是輸出功率的仿真圖形，從圖8可以看出，PI總體的輸出電流波形良好，但含有較多的諧波成分，THD為7.75%，沒能滿足小于5%的規(guī)定，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓基本實(shí)現(xiàn)同頻同相位，功率因數(shù)近為1，有功功率波動在8～11 kW，無功功率波動在-2～2 kW，不能很好的抑制電網(wǎng)周期性擾動，可見只有PI調(diào)節(jié)器作用時的效果并不完善，也不能很好地控制輸出波形。

圖8 輸出的有功及無功功率

圖9是PI調(diào)節(jié)器與重復(fù)控制器共同使用后的仿真圖形。

圖9 輸出的有功及無功功率

由圖9可以看出，輸出的波形有明顯的改善，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，諧波較少，THD為3.18%，滿足并網(wǎng)要求，輸出功率幾乎維持在10 kW附近，無功功率在0 kW附近，很好抑制了電網(wǎng)的周期性擾動，達(dá)到控制效果，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

針對三相光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了分析與設(shè)計，分別從光伏電池工作特性、模糊控制來實(shí)現(xiàn)MPPT技術(shù)、空間矢量的脈寬調(diào)制方法、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與重復(fù)控制的工作原理等方面進(jìn)行了介紹研究。

(1)模糊控制算法能夠保證光伏逆變電池工作在最大功率點(diǎn)位置。采用重復(fù)控制與PI控制相結(jié)合的方法可以解決擾動問題。

(2)SVPWM調(diào)制策略提高了直流電壓利用率。Matlab模型的仿真結(jié)果證明了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[1] 王逸超，羅 安，金國彬，等. 單相LCL型并網(wǎng)逆變器新型諧波阻尼策略[J].中國工程電機(jī)學(xué)報，2014, 34(3)： 5803-5810.

[2] 張勝權(quán). 三相光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013

[3] 李月芳，周 皓. 基于LCL光伏逆變器并網(wǎng)電流的重復(fù)控制[J].電氣傳動, 2016, 46(9): 39-43.

[4] 劉 萌，王印松，宋雨倩，等. 基于模型參考電導(dǎo)增量法的光伏電池MPPT控制[J].電力科學(xué)與工程2013, 29(1):16-20.

[5] 榮德生，劉 鳳. 改進(jìn)型擾動觀察法在光伏MPPT中的研究[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報2017, 29(3):102-110.

[6] 張 杰，陳道煉，江力輝，等. 新穎的三相Boost型光伏逆變器[J].中國工程電機(jī)學(xué)報，2017, 37(8)： 2328-2338.

[7] 陸磊磊. 三相光伏并網(wǎng)型逆變器的設(shè)計研究[D].哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[8] 孫文山. 基于SVPWM的三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究與設(shè)計[D]. 天津： 天津大學(xué)，2011.

[9] Ren Yuyan, Gao Jinling, Zheng Cunfang，et al.Swithching losses suppression method for three-phase PV grid-connected inverter[J]. Power Electronics, 2014, 48(3): 7-9.

[10] 陳 曦. 三相光伏并網(wǎng)逆變器的研制及并網(wǎng)控制策略研究[D]. 濟(jì)南： 山東大學(xué)，2013.

(編輯 晁曉筠 校對 李德根)

Research on three-phase photovoltaio grid inverter system

ZhaoZhenmin1,ZhangNing2,YangCheng1

(1.School of Electricl & Control Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022，China； 2.Maintenance Division of State Grid Shanxi Electric Power Company, Taiyuan 030000，China)

This paper is a response to the resonance of LCL filter and the reliability of single Boost in an effort to solve the resonance problem of three-phase photovoltaic grid connected inverter using the LC type filter. The front stage fitted with interleaved parallel Boost boost circuit leaves the system redundant. The maximum power point tracking is achieved by using the fuzzy control algorithm by which the photovoltaic battery can work at the maximum power point; and employing the current method of grid connected inverter loop control using the combination of repetitive control and PI control to eliminate disturbance. The improved utilization of DC voltage is by using SVPWM modulation strategy and model simulation analysis is performed by building the Matlab. The results show that the simulation is correct; the whole system is made stable by adding parallel control of PI and repetitive and has a smaller harmonic interference, with the improved quality of output waveform.

PV Grid; SVPWM; maximum power point tracking; repetitive control

2017-03-26

趙振民(1967-)，男，黑龍江省雙城人，教授，博士，研究方向：電力電子與電氣傳動，E-mail:zhaozhenmin@sohu.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.03.009

TM464

2095-7262(2017)03-0246-05

A