太陽能光伏逆變器控制策略

賀莉 羅丹羽 董雪峰 李翔

摘 要：光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)。因此，本文闡述了光伏逆變器的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，對目前市場上出現(xiàn)的光伏逆變器進(jìn)行了分類整理，并介紹了相關(guān)的控制策略。

關(guān)鍵詞：光伏逆變器;光伏發(fā)電系統(tǒng);控制策略

中圖分類號：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）04-0149-03

The Analysis on Solar PV Inverter Control Strategy

HE Li LUO Danyu DONG Xuefeng LI Xiang

（Zhengzhou Electric Power College，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Photovoltaic inverter is a very important part of the photovoltaic power generation system. This article briefly introduced the development history and current status of photovoltaic inverters， classified and sorted the photovoltaic inverters currently appearing on the market， and introduced the control strategies for them.

Keywords： photovoltaic inverter;photovoltaic power generation system;control strategy

20世紀(jì)70年代發(fā)生的石油危機(jī)、環(huán)境污染和能源短缺等，使人們逐漸意識到單一依靠常規(guī)的化石類能源不能滿足人類對能源的需求。因此，各國紛紛開始發(fā)展清潔能源發(fā)電，其中太陽能發(fā)電憑借其獨(dú)有的優(yōu)勢得到了迅猛發(fā)展。同時，為了更好地發(fā)展太陽能光伏發(fā)電[1，2]，各國還紛紛提出了一系列對應(yīng)的扶持政策。我國地域遼闊，太陽能資源豐富，發(fā)展太陽能發(fā)電具有明顯優(yōu)勢[3，4]。目前，我國仍是傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)組成，主要由煤炭、石油等化石能源占主導(dǎo)地位，太陽能發(fā)電具有廣闊的發(fā)展空間。近幾年，我國政府對光伏發(fā)電越來越重視，逐步實施和完善了上網(wǎng)電價補(bǔ)貼政策，進(jìn)一步促進(jìn)了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的迅猛發(fā)展，使我國在太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中更具競爭力。作為光伏發(fā)電系統(tǒng)核心的轉(zhuǎn)換器件，逆變器必將成為我國光伏發(fā)電市場的必爭之地和重點(diǎn)研究對象，其研發(fā)、應(yīng)用和推廣具有極其深遠(yuǎn)的意義。

1 光伏逆變器現(xiàn)階段的發(fā)展

在過去10余年的研究和發(fā)展中，全球范圍內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值平均增幅為57.1%，已躍居成為世界上增長迅速的產(chǎn)業(yè)之一。作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中最核心的逆變技術(shù)，這些年也取得了快速發(fā)展。逆變控制技術(shù)的主要原理是把信號從直流變換和輸出到交流，并結(jié)合相關(guān)的調(diào)制技術(shù)。20世紀(jì)60年代，德國A.Schonung首次提出應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)。此后，正弦波PWM（SPWM）控制技術(shù)由英國的S.R.Bowes博士提出，這一創(chuàng)新是對脈寬調(diào)制技術(shù)乃至電力電子技術(shù)的革命性飛躍，也成為逆變器技術(shù)變革的理論基礎(chǔ)。新能源發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，使得國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)廣泛深入開展光伏逆變控制器的研究，更是針對相關(guān)課題開展了廣泛深入的研究。

早在20世紀(jì)80年代，我國已開始在逆變器控制及其制造技術(shù)方面開展研究開發(fā)。在光伏市場需求方面，隨著國家對光伏發(fā)電的大力調(diào)制和出臺相關(guān)補(bǔ)貼政策，截至2014年底，我國光伏發(fā)電裝機(jī)容量超過4GW。隨著國家大力推進(jìn)“金太陽示范工程”以及大量的光伏并網(wǎng)補(bǔ)貼及惠民政策的落地實施，環(huán)境和政策都將激勵著我國逆變器技術(shù)的研究工作蓬勃發(fā)展。目前，我國在光伏發(fā)電領(lǐng)域的規(guī)模和關(guān)鍵技術(shù)已處于世界前列。

2 太陽能光伏逆變器控制策略

2.1 太陽能光伏逆變器的分類

逆變器在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)[5]中的主要作用是將太陽能電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，同時改變原來的電壓、幅值、頻率以及波形等，從而為各種交流用電裝置、設(shè)備提供電能，且可滿足并網(wǎng)發(fā)電等。目前，市場上逆變器有多種類型，因此在選擇機(jī)種和容量時需特別注意。尤其在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器效率的高低對太陽能電池容量和蓄電池的容量大小具有決定性影響。對目前市場上常用的逆變器進(jìn)行分類，結(jié)果如表1所示。

2.2 逆變器控制策略

目前，多數(shù)逆變器采用的控制方法[6]可根據(jù)控制原理分為兩類：①采用經(jīng)典控制策略的逆變器;②采用現(xiàn)代控制策略的逆變器。

2.2.1 經(jīng)典控制策略。①電壓均值反饋控制。該控制策略主要的控制方式是給定一個目標(biāo)電壓均值，通過反饋采樣設(shè)備給出的電壓均值的采樣值，用采樣值和目標(biāo)值做差，進(jìn)而得到一個誤差值，再以此誤差值為基礎(chǔ)建立新的反饋系統(tǒng)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，從而得到可控的輸出。作為一個恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電壓均值反饋控制最大的優(yōu)點(diǎn)是無凈差輸出，最大的缺點(diǎn)是系統(tǒng)響應(yīng)速度慢。②電壓單閉環(huán)瞬時值反饋控制。該控制主要是通過把電壓瞬時值作為給定目標(biāo)值，進(jìn)而將反饋采樣設(shè)備給出的電壓瞬時值建立反饋，且針對二者誤差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，從而得到可控輸出。作為一個隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它的控制策略的積分環(huán)節(jié)有一定的相位滯后，系統(tǒng)必然會存在凈差，所以此控制策略的穩(wěn)態(tài)誤差不好，但是系統(tǒng)響應(yīng)十分迅速。③基于電壓均值的電壓單閉環(huán)瞬時值控制方法。若采用電壓瞬時值單閉環(huán)控制系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)誤差不好，但電壓均值反饋恰好可以彌補(bǔ)這個缺點(diǎn)，所以可以在電壓瞬時值單閉環(huán)控制系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，通過增設(shè)一個均值電壓反饋控制環(huán)節(jié)，以大大降低原系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。④電壓、電流相結(jié)合的雙閉環(huán)瞬時控制。電壓單閉環(huán)控制系統(tǒng)與直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制相似，在抵抗負(fù)載擾動方面誤差較大，只有先把負(fù)載擾動對系統(tǒng)輸出的電壓、轉(zhuǎn)速等物理量的影響輸出后，控制器才能做出反應(yīng)，因此設(shè)計時可在電壓外環(huán)基礎(chǔ)上增設(shè)一個電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)負(fù)載受到擾動信號時，電流內(nèi)環(huán)可以快速、及時地抑制負(fù)載波動的影響，使得電壓外環(huán)調(diào)節(jié)可以大大提高抗擾性，改善控制性能。

2.2.2 現(xiàn)代控制策略。①基于多變量的狀態(tài)反饋控制。采用該策略可以任意配置系統(tǒng)的極點(diǎn)，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。但是，該控制策略在最初建立系統(tǒng)狀態(tài)變量模型時，負(fù)載實際的動態(tài)特性難以預(yù)估，因而實際控制方案僅能假定空載或假定負(fù)載。針對該缺點(diǎn)，可在控制系統(tǒng)中加入負(fù)載電流前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，預(yù)先對系統(tǒng)進(jìn)行魯棒分析，以大大改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，使得系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能。②無差拍控制。該控制策略是將給定的正弦波參考波形等間隔劃分成若干周期，利用預(yù)測算法計算每個采樣周期的起始值，進(jìn)而在采樣周期結(jié)束時計算出負(fù)載應(yīng)輸出的值。這樣通過合理計算采樣周期的起始值，將使得系統(tǒng)輸出的波形與參考的波形完全重合，從而不產(chǎn)生任何相位、幅值偏差。③滑模變結(jié)構(gòu)控制。該控制策略實質(zhì)上是一種非線性控制方法，利用的是某種不連續(xù)的開關(guān)控制策略，從而強(qiáng)迫系統(tǒng)的狀態(tài)變量沿著某一設(shè)計好的滑模面運(yùn)動。該控制策略的優(yōu)點(diǎn)是其對系統(tǒng)參數(shù)變化和外部擾動均不敏感，具有較強(qiáng)的魯棒性，但其很難確定一個理想的滑膜面，且對開關(guān)頻率要求較高。④模糊控制。該控制策略屬于智能控制，與傳統(tǒng)的控制方案相比，是控制理論發(fā)展的高級階段。不依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是模糊控制的最大優(yōu)點(diǎn)。對于具有高度非線性、不確定性對象問題的系統(tǒng)，通?？梢圆捎迷摽刂撇呗?。⑤重復(fù)控制。內(nèi)膜控制原理是重復(fù)控制策略的基本思想?？刂撇呗钥蓪χ噶詈蛿_動信號假設(shè)一個內(nèi)膜進(jìn)行控制，從而達(dá)到輸出無凈差控制，但這種控制方案動態(tài)響應(yīng)不好，需要較大的內(nèi)存。

3 結(jié)論

太陽能光伏發(fā)電作為新興能源，在近幾年發(fā)展迅猛。逆變器作為太陽能光伏發(fā)電的控制核心，是光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、可靠、安全、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的關(guān)鍵因素，對于整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率、輸出電能質(zhì)量的優(yōu)劣等具有決定意義。因此，本文對現(xiàn)今的逆變器進(jìn)行分類整理，簡單介紹了光伏逆變器的控制策略，以期為光伏逆變器的研究開發(fā)奠定一定的基礎(chǔ)。

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