太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)的應用

徐智華

（江西電力職業(yè)技術(shù)學院動力工程系，南昌 330032）

太陽能是一種可再生性能源，此能源的利用，能夠化解能源危機、保護生態(tài)環(huán)境。光伏發(fā)電是將太陽能轉(zhuǎn)化成電能的主要技術(shù)，目前我國光伏研究不斷深化，光伏產(chǎn)業(yè)逐步發(fā)展壯大。光伏發(fā)電技術(shù)已在交通、通信、石油和海洋等多項領(lǐng)域得到了廣泛應用。為有效利用光伏發(fā)電技術(shù)，提高太陽能利用率，需要進一步優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)。應結(jié)合光伏并網(wǎng)逆變器控制目標，制定出太陽能光伏并網(wǎng)逆變器控制的有效策略，實現(xiàn)并網(wǎng)電流單位功率因數(shù)的有效輸出。

1 并網(wǎng)逆變器的基本控制方法

作為有源逆變系統(tǒng)，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)需要實現(xiàn)直流電向正弦交流電的轉(zhuǎn)化，并為電網(wǎng)進行供電。因此，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制目標是輸出與電網(wǎng)電壓頻相相同的交流電，得出穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的正弦波。并網(wǎng)輸出電流是并網(wǎng)逆變器控制的重點，控制方法主要有2 種，一是直接控制輸出電流，先計算交流電流值，再得出交流電流反饋，在交流電流控制的基礎(chǔ)上進行電流值的跟蹤。此控制方法較為簡單，動態(tài)響應較為快速，且不會過度依賴系統(tǒng)參數(shù)[1]。二是控制輸出電壓，間接實現(xiàn)對輸出電流的控制，以此實現(xiàn)對交流側(cè)電流及功率因數(shù)的有效控制。需要以穩(wěn)態(tài)電流向量為基礎(chǔ)，根據(jù)PWM 基波電壓的向量幅值及具體相位，實現(xiàn)電壓幅值及相位的閉環(huán)控制。此方法可免去并網(wǎng)電流檢測環(huán)境環(huán)節(jié)，然而響應時效偏低，瞬時直流電流可能會發(fā)生偏移，且電路控制過程相對復雜。目前可采用數(shù)字控制算法、連續(xù)控制算法進行光伏電網(wǎng)逆變器控制，或是以PWM 控制技術(shù)作為調(diào)制方法。綜合各控制方法的優(yōu)缺點，本文采用正弦波脈寬調(diào)制逆變技術(shù)進行逆變器控制，選用有效值外環(huán)控制與瞬時值內(nèi)環(huán)控制相結(jié)合的方法處理電路采樣信號，再通過得到的PWM 驅(qū)動信號對功率器件通斷進行控制，從而完成并網(wǎng)發(fā)電過程[2]。

2 基于正弦波脈寬調(diào)制逆變技術(shù)的并網(wǎng)逆變器控制策略

2.1 構(gòu)建控制系統(tǒng)數(shù)學模型

單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主電路具有H 橋型拓撲結(jié)構(gòu)，在功率器件輔助下可將直流能量轉(zhuǎn)化成交流能量，而后再向電網(wǎng)饋入，由于電網(wǎng)能夠體現(xiàn)出電壓源的特性，因而，需要采用電流源的形式進行電網(wǎng)能量的饋入。在交流側(cè)電感濾波影響下，逆變橋會輸出正弦脈寬的電壓波形，再通過轉(zhuǎn)化形成正弦波電流，之后便可向電網(wǎng)中輸入。同時，由于安裝了DSP 芯片的弱電控制主板，所產(chǎn)生的正弦波會對橋路功率開關(guān)器件的開啟及閉合進行控制。單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 中，L 為電感，iL為流經(jīng)濾波電感的電流，此電流是逆變器輸出電路的狀態(tài)變量，按照公式（1）可計算出未經(jīng)濾波的逆變器輸出電壓值為

式中：RL為電感及交流進線的等效電阻。之后，通過拉普拉斯變換方法，可以求出IL（s）數(shù)值，即

式中：RL為電感與交流進線的等效電阻，而G3（s）為濾波電路的傳遞函數(shù)。不考慮死區(qū)時間非線性影響關(guān)系，并忽略功率開關(guān)器件上4 個開關(guān)延時情況時，如果采用正弦波脈寬調(diào)制逆變技術(shù)控制太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器，橋式逆變環(huán)節(jié)將會出現(xiàn)滯后性，此時可等效成小慣性環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可按下式計算

式中：KP與TP分別為逆變器增量及一個開關(guān)周期，如果開關(guān)頻率值設(shè)定為10 kHz，此時TP取值為100 us。根據(jù)公式（2）與公式（3），可以繪制出逆變系統(tǒng)的并網(wǎng)電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖（圖2）。

圖2 逆變系統(tǒng)并網(wǎng)電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

在非控制狀態(tài)下，逆變系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)可以根據(jù)逆變器濾波電感、反饋系統(tǒng)求解出來，計算公式為

式中：L為逆變器濾波電流，取值為0.004 H；a為反饋系統(tǒng)，取值為45。逆變器增量KP及一個開關(guān)周期TP分別取值15、100 us。經(jīng)過計算后，可以在仿真的基礎(chǔ)上得到階躍響應數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，在不控制逆變系統(tǒng)時，系統(tǒng)可能會出現(xiàn)原理性穩(wěn)態(tài)誤差，并且需要經(jīng)過12 ms的時間才可做出響應，說明系統(tǒng)穩(wěn)定性不佳，且并非最小相位系統(tǒng)。

2.2 設(shè)計PI 參數(shù)

按照二階系統(tǒng)進行逆變系統(tǒng)的設(shè)計，可得到相對穩(wěn)定且響應靈敏的敏度。為此，需要利用二階工程設(shè)計整定PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)值。二階閉環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)普通形式如公式（5）所示

為增強逆變系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性，實現(xiàn)給定量的快捷輸出與全面跟蹤，應在控制理論的基礎(chǔ)上求解高品質(zhì)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，從而得到二階品質(zhì)最佳系統(tǒng)閉環(huán)函數(shù)優(yōu)化公式，即

若要得到更加穩(wěn)定且響應快捷的逆變系統(tǒng)，需要利用數(shù)字信號處理器對逆變器系統(tǒng)進行實時的校正處理，使二者構(gòu)建而成的閉環(huán)系統(tǒng)成為二階最佳設(shè)計形式[3]。PI 調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)按式（7）計算

式中：KT與KI分別為PI 調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)及積分時間常數(shù)，如果光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的時間常數(shù)為，則可認為采用PI 調(diào)節(jié)器能夠?qū)⒋顺?shù)抵消掉。將公式（5）、（6）、（7）進行整合、聯(lián)立與校正，可以得到簡化后的逆變控制系統(tǒng)開環(huán)與閉環(huán)傳遞函數(shù)公式，分別如公式（8）與公式（9）所示。

由于一個開關(guān)周期為100 us，將此數(shù)據(jù)代入公式可以得出開環(huán)與閉環(huán)傳遞函數(shù)分別為

式中：G（s）為校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，Gc（s）為閉環(huán)傳遞函數(shù)。在完成這些公式推導之后，可以得到能夠展示系統(tǒng)頻率響應情況的開環(huán)系統(tǒng)伯德圖（圖3）及閉環(huán)控制系統(tǒng)階躍響應曲線（圖4）。 根據(jù)圖（3）所示，PI調(diào)節(jié)開始后，逆變器開環(huán)系統(tǒng)處于較為穩(wěn)定狀態(tài)，此時開環(huán)傳遞函數(shù)相角裕度為67.5°，此時，穿越頻率可以達到722 Hz，與規(guī)定的設(shè)計標準相符。

圖3 校正后開環(huán)系統(tǒng)伯德圖

圖4 校正后閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應曲線

根據(jù)圖（4）顯示，PI 調(diào)節(jié)實施后，系統(tǒng)上升時間遠遠短于開環(huán)控制，僅需0.3 ms 便完成了調(diào)控，并且超調(diào)量只有4.32%，整個調(diào)節(jié)過程在0.85 ms 內(nèi)全部完成，調(diào)控時并未產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差，說明采用此種調(diào)節(jié)方式能夠有效提升逆變系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

由于PI 參數(shù)整定時采用的逆變傳遞函數(shù)屬于經(jīng)驗模型，因而得出的PI 參數(shù)屬于理論值，在實際調(diào)節(jié)時，還要考慮到分布參數(shù)、小時間常數(shù)等其他因素，應結(jié)合實際情況對P值與I值進行適當修正。

2.3 分析控制系統(tǒng)誤差

求解光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差時，應以上述推導出的分析模型為依據(jù)，采取定量方式進行分析[4]。并網(wǎng)控制系統(tǒng)具有3 種函數(shù)，一是斜坡函數(shù)，二是階躍函數(shù)，三是加速度函數(shù)。靜態(tài)誤差分析時，輸入信號應選擇3 種函數(shù)的線性組合，否則分析結(jié)果并不精準。并網(wǎng)電流為正弦函數(shù)，如果輸入信號采用的是并網(wǎng)電流，那么計算逆變控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的動態(tài)誤差時，最好采用動態(tài)誤差系數(shù)法。求解時，應先運用反變換法計算出輸入?yún)⒖茧娏餍盘?/p>

之后，可進一步求解出控制系統(tǒng)的誤差信號，計算公式如下

式中：a、b、c、d4 個字母分別為未確定的動態(tài)誤差，其中一個開關(guān)周期Tp仍取值100 us，動態(tài)誤差c與d分別取值1.13 與11.158。代入上述數(shù)據(jù)，并經(jīng)過拉普拉斯反變換，可以計算出逆變系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為0.565 8cos（ωt-1.81°）。在PI 調(diào)制模式下，得到的穩(wěn)態(tài)誤差屬于正弦函數(shù)，由此可以判斷出，光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)具有原理性穩(wěn)態(tài)誤差。

2.4 光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器控制實施

光伏并網(wǎng)逆變器兼具獨立運行及并網(wǎng)運行2 種工作狀態(tài)，獨立運行模式下，以電壓型電源逆變器作為系統(tǒng)，主要是針對輸出電壓進行控制。而并網(wǎng)運行時，以電壓型電流源逆變器作為系統(tǒng)，控制對象轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭娏鳌Ｒ虼?，利用正弦波脈寬調(diào)制逆變技術(shù)進行電流跟蹤時，需要在PWM 載波頻率恒定條件下進行，同時要設(shè)定不變化的開關(guān)頻率，并以電流偏差調(diào)節(jié)信號作為調(diào)制信號[5]。開關(guān)頻率固定的目的是減少功率器件開關(guān)耗損量，并簡化輸出側(cè)濾波電感設(shè)計。為此，光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器控制時，需要聯(lián)合應用有效值外環(huán)控制及瞬時值內(nèi)環(huán)控制2 種方法。

根據(jù)圖5 所示，斷開開關(guān)S2情況下，光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器處于獨立運行狀態(tài)，在電壓閉環(huán)條件下進行工作。如果開關(guān)S1連接到節(jié)點2 上，此時可以控制逆變電壓，輸出的是正弦波電壓，輸出電流不會對逆變器產(chǎn)生任何影響。同時還可利用數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)，確保輸出電壓、電網(wǎng)電壓頻相一致，以降低并網(wǎng)后電網(wǎng)所受到的沖擊。閉合S2時，逆變器則處于并網(wǎng)運行狀態(tài)，在電流閉環(huán)條件下工作。此時，可使S1連接到節(jié)點1，這主要是對輸出電流進行控制，由于輸出電壓比電網(wǎng)電壓略高，因此，也可以利用數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)進行二者的頻相調(diào)整。構(gòu)建完成電流環(huán)且待此環(huán)處于穩(wěn)定狀態(tài)后，可將S3開關(guān)合上，此時，輸出波形會形成逆變器的控制內(nèi)環(huán)，而輸出電壓與輸出電流的有效值則共同構(gòu)成控制外環(huán)。此種雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)的應用，能夠提升逆變器的負載能力，并可使輸出電壓及輸出電流的波形、幅值均達到設(shè)計標準。此外，此種控制結(jié)構(gòu)還可實現(xiàn)逆變器獨立運行與并網(wǎng)運行2 種運行狀態(tài)的靈活切換，且并網(wǎng)時無電流通過，控制效果相對理想。

圖5 基于雙閉環(huán)控制的逆變器控制結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)束語

本文在光伏并網(wǎng)逆變器類型分析的基礎(chǔ)上，闡述了光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器的基本控制方法，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建逆變器控制系統(tǒng)的模型，計算出了PI 控制參數(shù)，并分析了逆變器控制系統(tǒng)的誤差，總結(jié)出光伏逆變器電流環(huán)控制方式具備原理性誤差的分析結(jié)論。之后，選用有效值外環(huán)控制與瞬時值內(nèi)環(huán)控制相結(jié)合的控制策略，繪制出了逆變器控制結(jié)構(gòu)圖，并闡述了逆變器獨立運行與并網(wǎng)運行時的控制模式，驗證了此種雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)在太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器控制方面成效顯著。