光伏并网逆变器控制方法研究
【摘要】本文以3KW的家用型光伏并网发电系统为例，对光伏并网发电系统的核心——并网逆变器，进行控制策略的研究。在MATLAB/SIMULIINK环境下建立光伏并网发电系统的数学模型，并选用电流滞环比较控制、无差拍控制、数字PID控制进行仿真研究。仿真结果表明，三种控制策略都能得到符合并网要求的输出电流，其中无差拍控制得到的电流波形最佳。
【关键词】光伏并网，最大功率点跟踪，逆变控制，MATLAB 1 绪论
自世界上第一座光伏电站建立以来的40多年间，光伏发电产业的发展非常迅速。截至2014年，全球的光伏装机总容量超过了160GW，我国的光伏装机总量也达到了28GW。不过，在我国光伏产业发展迅速的背后，隐藏着光伏并网率低的问题。针对这一问题，本文以3KW光伏并网发电系统为例，对并网逆变器的控制方法进行研究。同时，对传统的逆变控制方法进行改进，以获得更好的逆变效果。 2 光伏并网发电系统的组成
如图2.1所示，本文采用的是双级式的单相光伏并网发电系统。整个系统由光伏电池、DC/DC变换环节、DC/AC逆变环节和滤波器组成。光伏电池输出的电能进入DC/DC变换环节进行升压，同时实现最大功率点跟踪；稳定的直流电压由DC/AC逆变成交流电流，经过LC滤波器后并入电网。
L1VTPVVDC1VT1VT3L2C2GridVT2VT4MPPT电电电电电电PWM电电电电电电电电电电电电电电电电电电电
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图2.1 双级式单相光伏并网发电系统
MPPT算法
最大功率点跟踪（MPPT）是指在温度、光照发生变化时，系统仍能使光伏电池的保持最大功率输出。目前，常用的MPPT控制算法有恒定电压法、电导增量法、扰动观察法 [1-2]和模糊控制[3]等。
本文采用的MPPT算法是一种改进的电导增量法，电导增量法的控制原理是：通过比较光伏阵列的瞬时导抗与导抗变化量的方法来实现对最大功率的跟踪；理论依据是光伏电池的P-V特性曲线是一条单峰的曲线，在最大功率点处功率对电压导数为0，即dP/dU?0，通过判断dP/dU的符号来确定增大或减小电压。这种判断方法需要多判断一次dU的符号，增加了工作量。针对此问题，本文以dP?dU作为判断式，避免了分母为0的情况，简化了控制过程，使算法更为简单。算法的仿真模型如图3.1所示。
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图3.1
电导增量法的仿真模型
滤波器设计
理想的电网电压是固定单一频率的，幅值波动在一定允许范文内的正弦波。经高频逆变控制输出的电流中含有较多高次谐波，在并入电网前必须进行滤波。在单相光伏并网发电系统中，逆变输出的电流信号中的谐波频率都在开关频率附近及其以上。因此，本文依据定K型归一化设计方法[4]设计一个100HZ的二阶低通滤波器
基准的二阶定K型低通滤波器的电感电容值为：Lref =1H，Cref =1F。预测逆变系统的特征阻抗为5?， M和K的值：
M=待设计截止频率/基准截止频率=100HZ/(1/2*pi)=628.32
K =电路特征阻抗/基准特征阻抗=5/1=5.0
则并网逆变系统中二阶滤波器的L和C值为：
1?5?0.0079575H?7.5975mH
M628.32C1C?ref??0.0003183H?318.3?H
M?K628.32?5L??由此，得到100HZ的低通滤波器如图4.1所示。
Lref?K图4.1
截止频率为100HZ的低通滤波器
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逆变控制策略研究
光伏并网逆变控制可以分为电压型逆变控制和电流型逆变控制。本文采用电流型逆变控制，省去了电压型逆变控制所需的锁相环节，从而简化了逆变系统。
逆变器的控制方法可分为数字化和智能化两大类。其中数字化控制有电压均值控制、电流滞环比较控制、无差拍控制[5][6]、数字PID控制[7]和重复控制等；而智能化控制包括模糊控制、神经网络控制和预测控制等。
本文以图5.1所示的逆变控制仿真模型为基础，对数字化控制方式中的电流滞环比较控制、数字PID控制和无差拍控制进行研究，并在电流滞环比较控制和数字PID控制中进行
了一些改进。
图5.1 逆变控制系统仿真模型
5.1 电流滞环比较控制
电流滞环比较控制方式的控制结构简单，不需要对系统建立精准的模型。控制稳定性好，跟踪速度快，是一种跟踪性能优越的控制方式。不过，由于误差的不确定性，开关管的开关频率时高时低；而频率过高时，可能会损坏开关管。针对此问题，本文在滞环输出后串入一个D触发器，以限制开关管的开关频率，控制器的仿真模型如图5.2所示。
图5.2 电流滞环比较控制仿真模型
5.2 数字PID控制
PID控制的实质是一种三角波比较控制。通过反馈的采样电流与参考电流比较得到误差信号，将误差信号进行PID调节后，再与三角波载波调制得到控制PWM波。传统的模拟PID由于运算速度不快，相当于在控制器中增加了一个延时环节，影响了控制系统的响应速度。随着DSP等数字芯片而出现的数字PID控制方式，通过高速的计算速度，大大提高了PID控制的响应速度和控制精度。为了更好的跟踪逆变器直流端电压和电网电压的变化，本文设计的数字PID控制器中，引入了直流端电压和电网电压对PID调节器输出进行修正。控制器的仿真模型如图5.3所示，其中PID的参数整定为：Kp=80，Ki=20，Kd=0。
5.3 无差拍控制
图5.3 数字PID控制器仿真模型
无差拍控制是一种基于精准数学模型的控制方式。根据逆变系统的状态方程、电流反馈信号和下一周期的输出量，计算出下一采样周期的控制脉冲宽度。其特点是当拍计算，当拍输出。
由图5.1所示的逆变控制系统模型可以得到逆变器输出端的电压方程为
UAB?UL?Ug?LdiL?Ug （1） dt对式（1）两边进行离散化得
L[iL(k?1)?iL(k)]?Ug(k) （2） Ts由于电容电流iC?0，因此可用参考电流iref(k?1)代替iL(k?1)，则下个采用周期的逆变
UAB(k)?输出电压平均值
UAB(k)?L[iref(k?1)?iL(k)]?Ug(k) （3） Ts由式（3）建立无差拍控制器的仿真模型如图5.4所示。
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图5.4
无差拍控制器仿真模型
仿真研究与结果分析 根据前文的分析与建模，建立如图6.1所示的光伏并网发电系统仿真模型，其中在光照强度在系统运行2s后由1000W/㎡变为1200 W/㎡。仿真得到的波形如图6.2~图6.5所示。
从图6.2可知，采用电导增量法的MPPT控制，在光照发生变化时能较快地跟踪功率的变化，找到最大功率点。同时，功率的振荡幅度也较小。而三种逆变控制方法也能很好的抵抗直流端的扰动，并且输出波形质量较高的并网电流。三种逆变控制策略得到输出电流的THD都在5%一下，满足并网要求，其中无差拍控制的THD更是达到了0.53%。同时，出了数字PID控制由于积分环节的存在使得输出波形在相位上与电网电压存在很小的误差，其他两种控制方式的输出电流都与电网电压同频同相。
图6.1
光伏并网发电系统仿真模型
图6.2 光照变化时的MPPT控制效果
图6.3 电流滞环比较控制的并网电流与电网电
压波形
图6.4 数字PID控制的并网电流与电网电压波
形
图6.5 无差拍控制的并网电流与电网电压波形
由比较仿真结果可以得出，在能准确建立系统模型的条件下，无差拍控制的逆变控制效果最佳，总体谐波畸变率最低；其次是数字PID控制；而控制结构简单的电流滞环比较控制则更适合一些谐波要求较低的场合。 7 总结与展望
本文通过在MATLAB/SIMULINK环境下建立光伏并网发电系统，对三种逆变器的控制策略进行仿真研究。仿真结果表明，三种逆变控制策略都能输出满足并网要求的并网电流。其中，无差拍控制的输出波形质量最佳。 参考文献
[1] 耿乙文．一种改进的PV-AF系统最大功率点跟踪方法[J]．电测与仪表，2014，51（7）：45-50． [2] 杨勇，朱彬彬，赵方平，陶雪慧，曹文丰．一种电流预测控制的自适应变步长最大功率跟踪方法[J]．中
国电机工程学报，2014，34（6）：855-862．
[3] 郑飞，丁明昌．基于模糊控制的光伏最大功率跟踪器[J]．电气自动化，2014，36（2）：48-50 [4] 森，荣二，薛培鼎．LC滤波器设计与制作[M]．北京：科学出版社，2005：13-18．
[5] 陈燕东，罗安，周乐明，谢宁，金国彬，吕志鹏．一种功率前馈的鲁棒预测无差拍控制并网控制方法
[J]．中国电机工程学，2013,33（36）：62-70．
[6] 艾淑云，翟登辉，李献伟，王毅．基于无差拍算法的单相光伏并网逆变器的研究[J]．通信电源技术，
2014，31(3)：4-6．