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三相光伏并网逆变器研究
作者：张文正
来源：《科技信息·下旬刊》2018年第03期
摘要：光伏并网逆变器作为光伏电池与电网之间能量转换的关键设备，是光伏发电领域的研究热点。基于此，本文就以并网型光伏逆变器为主要研究对象，分析了电流连续型并网逆变器的工作机制，研究了三相光伏并网逆变系统的控制策略，验证分析表明，能够有效达到对光伏电池阵列MPPT精确的双模操控。
关键词：MPPT；并网逆变器；LCL滤波网络；电流连续型
随着全球经济的飞速发展，能源资源逐渐被消耗殆尽，而随之产生的环境污染也日益严重，能源短缺和环境污染已成为二十一世纪人类急需解决的重大问题之一。新能源和可再生能源的开发与利用已成为当今世界研究的热点，而太阳能以其清洁、高效及资源丰富、分布广泛等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的产业，是最具发展潜力的新能源之一。光伏并网发电是未来太阳能光伏利用的主要形式。随着高性能数字信号处理器的出现，一些先进的控制策略在光伏并网控制系统中的应用成为可能。 1.并网逆变器的状态空间数学模型 1.1主电路结构
三相光伏并网逆变器如图1所示，当输入直流母线滤波电容C1以及多个IGBT管的三相桥电路和L1、C、L2组成的三阶滤波器。因为该研究设计的LCL滤波器比传统的LCL滤波器对高频谐波具有更好的减弱效果，所以这里使用LCL滤波网络来完成并网逆变器和电网的连接[1]。
1.2输出滤波器
在图1中，采用LCL的滤波网络达到逆变器和电网间的联系，可以满足几千瓦到更大功率的变换要求。所以选用容量等级的功率强的变换装置，一般采用PMW逆变控制装置，该装置在频率较低时，可以使相同的并网谐波电流衰减的滤波要求时，节省电感磁心材料。 1.3三相光伏发电并网系统结构
光伏并网发电系统的意义在于使太阳能光伏电池输出的直流电输出变为满足电网要求的三相交流电，最后接入电网提供给用户。一般使用的两级变换的光伏逆变系统，包含DC/DC变换环节以及DC/AC逆变环节，两者之间会设置容量足够大的直流滤波电容，该装置在缓冲前后变化时，可以起到前后级控制上的缓解作用。本文研究的系统是有两级变换的光伏并网系统，前级为DC/DC变换环节，负责调控最大功率点跟踪（MPPT）；而后级的DC/AC逆变环
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节可以维护前后级的电压稳定。所以，系统的控制策略是非常关键的部分。系统的控制框架如图2所示。其控制芯片采用DSP控制器，可以实现输出电流达到并网电流的要求[2]。 1.4 LCL滤波器并网逆变器建模
滤波器状态空间模型的和所选装置的状态变量有关[15-16]，为了构建满足LCL滤波器的三相并网逆变器的电网模型，选择电感电流i1a、i1b、i1c，电容电压Vca、Vcb、Vcc，并网电流i2a、i2b、i2c是状态变量，故易得到ABC在静止状态下并网逆变器的状态方程： 式（1）可以简化成6阶。公式简化后可知，i1a、i1b、i1c轴上的状态变量与β轴上的状态变量i2a、i2b、i2c没有任何关系。因此可得出结论：平衡的三相PWM逆变器在进行了ABC-αβ轴A坐标变换后，可以看作2个分别独立的单相PWM逆变器[2]。
从单相LCL滤波器可以推得并网输出电流I2同并网逆变器的桥臂电压Vinv以及电网电压Us的关系为：
由式（2）可得，此为双输入、单输出的三阶线性系统，选取滤波电感L1、并网电感L2电流和装置电容电压Vcf是状态变量，Us是系统的输入，将Us当作系统的一个扰动输入量。LCL滤波控制器结构如图3所示。 2.并网控制
系统的动态性能和稳定性主要在于闭环系统的极点在根平面上的分布。所以，综合系统性能指标的一种形式是给定一组期望极点。极点配置可以选择反馈增益矩阵，若把闭环系统的极点配置在根平面上所期望的点，可得到理想的动态性能[3]。
因为采用的滤波器是三阶系统，所以设置2个共轭极点，其中一个极点应在距虚轴较远的实轴上。系统中，可以获得S域下系统的理想混合点：
根据表1的系统参数，取ξr为0.6，取ωr为6600rad/s，m取4，可得理想极点为： Z1，2=0.6009±0.3305i；Z3=0.2212（5） 依据状态反馈计算公式，易得状态反馈系数为：
因为在开环情况下LCL滤波的逆变器特性差，谐振峰值变化大，在中频段容易失真。所以采用状态反馈极点配置对逆变器实施极点配置，经过极点配置后的系统可以跟踪和抗电网干扰时，有理想的动态响应性能[4]。
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并网逆变器波形控制符合正弦函数变化，不是恒值系统，而且并网系统的扰动也是正弦变化。尽管扰动信号的频率很多，进行正弦函数傅里叶分解看到，其中基波以及基波频率的多重谐波，都有共同特征。由于上述原因，基于内模原理的重复控制得到内模其S域形式为： 上述为一个周期延迟的正反馈环节。无论输入信号波形的特点，只要基波周期出现，则内模的输出就是周期累加的。所以，称为重复信号发生器。该内模会持续不断地周期输出与上周期波形相同的信号。所以系统是稳定的，波形误差应为零。 3.实验结果
为了证明上述分析，依据分析设计出SkW三相光伏并网逆变器，使用LCL滤波器，光伏并网逆变器的实验参数见表1。在验证过程中，由单相电流桥通过控制提供电压250V直流母线电压，输出并网电流为4A。为确保并网系统安全，这里的光伏并网逆变器和电网利用工频变压器分离。并网后的并网实验波形如图4所示[4]。
由实验波形可看出，若采用重复控制加极点配置的控制策略达到对并网电流波形的改变，因为隔离变压器磁心易负荷，使电网电压含有大量谐波（图5），在电网电压THD为14.29%，而并网电流的THD却只有1.512%，满足了高功率因数并网。 4.结语
综上所述，新一代的电力电子器件能够显著提高并网逆变器的可控性和容量，给光伏并网逆变器应用提供了一个良好的平台。在本研究中，为提高逆变器性能，采用了直流升压两级控制思想，并且通过实验结果证明逆变器输出性能良好，具有正确性和有效性，能够满足设计要求。
参考文献：
[1]郭晓瑞. 光伏并网逆变系统控制策略研究[D]. 浙江大学，2014.
[2]周峰. 配电网中光伏并网逆变系统的控制策略研究及实现[D]. 长沙理工大学，2012. [3]刘志强. 10kW光伏并网逆变器的研制[D]. 北方工业大学，2011.
[4]王姝媛. 光伏发电并网逆变器的模型分析与控制策略研究[D]. 华北电力大学，2015.