基于電流滯環(huán)跟蹤控制的三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

吳玉蓉，周朝坤，薛 勇

（1.武漢紡織大學(xué)電子信息工程學(xué)院，武漢市，430073；2.湖北華電襄樊發(fā)電有限公司，湖北省 襄樊市，441414）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和生活水平的不斷提高，對(duì)能源的過(guò)度消費(fèi)造成了化石能源的快速枯竭和全球生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞，開(kāi)發(fā)利用可再生能源成為世界各國(guó)共同追求的目標(biāo)。太陽(yáng)能發(fā)電安全、清潔、資源分布均勻，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染和破壞。目前，太陽(yáng)能獨(dú)立發(fā)電已經(jīng)投入使用。受天氣等因素的影響，獨(dú)立的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)不穩(wěn)定，采用光伏并網(wǎng)發(fā)電可提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能和效率，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能由補(bǔ)充能源向替代能源的過(guò)渡。光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的接口多采用逆變器，并網(wǎng)逆變器的控制性能直接影響發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量。由于電網(wǎng)的電壓不便于控制，因此逆變器的控制對(duì)象為逆變器輸出電流，要求并網(wǎng)電流能適時(shí)跟蹤電網(wǎng)電壓的頻率、相位和并網(wǎng)給定容量的變化，且電流的總諧波畸變要低，以減小對(duì)電網(wǎng)的諧波影響。因此，并網(wǎng)逆變器的輸出電流控制具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

目前，電流控制主要有比例積分（proportional integral，PI）控制、無(wú)差拍控制、重復(fù)控制、模糊控制、單周期控制、滯環(huán)控制等。其中：PI控制算法簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較強(qiáng)的魯棒性，但是不能實(shí)現(xiàn)正弦指令的無(wú)靜差跟蹤，系統(tǒng)的精度不易滿足要求[1-2]；無(wú)差拍控制和預(yù)測(cè)控制的有效性在很大程度上取決于被控對(duì)象模型的精確程度，而并網(wǎng)逆變器為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，建立其精確模型具有一定的難度，模型選擇不當(dāng)會(huì)使系統(tǒng)控制不穩(wěn)定[3-4]；模糊控制算法比較復(fù)雜[5]；重復(fù)控制不能實(shí)現(xiàn)短于1個(gè)基波周期的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[6-7]。電流滯環(huán)的脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）逆變器采用瞬時(shí)值比較方式，雖然存在開(kāi)關(guān)頻率不固定的缺點(diǎn)，但是它具有自動(dòng)峰值限制能力，電流跟蹤精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、不依賴(lài)負(fù)載參數(shù)和無(wú)條件穩(wěn)定，不需要載波等優(yōu)點(diǎn)。

本文針對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行特點(diǎn)，提出了輸出電流滯環(huán)控制實(shí)現(xiàn)的并網(wǎng)電流控制器的設(shè)計(jì)方案，借助MATLAB仿真軟件建立了三相并網(wǎng)逆變器的仿真模型，并對(duì)所提出的方案進(jìn)行仿真分析；同時(shí)在搭建的功率為10 kW的并網(wǎng)逆變器試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 三相并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)

三相并網(wǎng)逆變器主電路原理如圖1所示。三相并網(wǎng)逆變器由光伏陣列、6個(gè)功率開(kāi)關(guān)、3個(gè)并網(wǎng)電抗器和電網(wǎng)構(gòu)成。其中：逆變器的直流電源由光伏電池方陣提供；ua、ub、uc為逆變器交流側(cè)輸出電壓；ia、ib、ic為逆變器輸出電流；ea、eb、ec為電網(wǎng)電壓；L為并網(wǎng)電抗器，兼具有平滑濾波的作用。電感中的電流即并網(wǎng)電流

并網(wǎng)系統(tǒng)采用電壓型逆變器，輸出采用電流控制方式，電網(wǎng)可視為容量為無(wú)窮大的電壓源，因此，只需要控制逆變器的輸出電流相位與電網(wǎng)電壓的相位同步，幅值保持正弦輸出，就可以達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。滯環(huán)控制用于控制逆變器的并網(wǎng)電流，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓頻率和相位的實(shí)時(shí)跟蹤，響應(yīng)迅速且穩(wěn)定性好。

2 電流滯環(huán)控制原理

并網(wǎng)逆變器的電流滯環(huán)控制是把電網(wǎng)的電流作為給定信號(hào)，把逆變器輸出的實(shí)際電流即并網(wǎng)電抗器中的電流作為反饋信號(hào)，通過(guò)2者的瞬時(shí)值比較來(lái)控制逆變器各功率開(kāi)關(guān)，使實(shí)際的輸出電流跟蹤電網(wǎng)電流的變化，從而達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)電流的目標(biāo)。圖2給出了電流滯環(huán)控制三相并網(wǎng)系統(tǒng)的原理圖。圖中，ia0、ib0、ic0為電網(wǎng)的電流。

三相電流滯環(huán)控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是由3個(gè)單相半橋電路組成的，為了簡(jiǎn)化敘述，本文僅以a相（圖2中T1和T4橋臂組成）為例分析滯環(huán)控制的原理。

當(dāng)a相并網(wǎng)電流ia＞ia0+δ時(shí)，T4導(dǎo)通，T1截止，ia開(kāi)始下降；當(dāng)ia下降到ia＜ia0-δ后，T1導(dǎo)通，T4截止，ia開(kāi)始上升。這樣，通過(guò)滯環(huán)比較器控制T1和T4的交替通斷動(dòng)作，就可以使|ia-ia0|＜δ，從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流ia對(duì)電網(wǎng)電流ia0的跟蹤。顯然，電網(wǎng)電流在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)脈動(dòng)1次，其波形如圖3所示。設(shè)電流上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為t1、t2，開(kāi)關(guān)周期T=t1+t2，電流變化環(huán)寬為 2δ，直流側(cè)電壓為 Udc，電網(wǎng)電壓為 ea，且 Udc＞ea。在高開(kāi)關(guān)頻率下，由u=L×di/dt得

式中uL為電感上的電壓。經(jīng)推導(dǎo)可知，開(kāi)關(guān)的最大頻率fmax=Udc/（4Lδ）。

3 仿真研究

3.1 仿真模型

基于Matlab Simulink建立的三相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)主電路的仿真模型，模型主要參數(shù)為：電網(wǎng)電壓的峰值為311 V；頻率為50 Hz；直流側(cè)電壓為800 V；并網(wǎng)電抗器的電感均為5 mH；額定輸出電流的峰值為15 A，滯環(huán)的環(huán)寬為0.1 A。系統(tǒng)仿真模型如圖4所示，系統(tǒng)中的滯環(huán)電流控制子系統(tǒng)模型如圖5所示。

3.2 仿真結(jié)果

圖4中示波器1中的波形為電網(wǎng)電壓，如圖6所示。由圖6可知，三相電網(wǎng)電壓的峰值電壓為311 V，三相相位互差120°，頻率50 Hz。

圖4中示波器3的波形為并網(wǎng)系統(tǒng)中電網(wǎng)電流，如圖7所示。由圖7可知，電流滯環(huán)控制的給定信號(hào)與電網(wǎng)電壓同頻同相，幅值呈正弦規(guī)律變化，仿真中將其峰值設(shè)定為15 V。

圖4中示波器4的波形為電流滯環(huán)控制三相并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電流，如圖8所示。圖4中示波器2的波形為電網(wǎng)電流和逆變系統(tǒng)的并網(wǎng)電流的比較圖，如圖9所示。由圖9可看出，并網(wǎng)電流能夠?qū)崟r(shí)快速地跟蹤電網(wǎng)電流，其最大偏差小于±0.05 A。電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流的仿真波形如圖10所示。上述仿真結(jié)果驗(yàn)證了電流滯環(huán)控制能夠快速準(zhǔn)確的跟蹤電網(wǎng)電壓的相位，實(shí)現(xiàn)功率因素為1的并網(wǎng)電流輸出。

4 結(jié)論

并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)輸出電流對(duì)給定指令電流準(zhǔn)確快速的跟蹤。本文研究的電流滯環(huán)跟蹤控制的三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)具有系統(tǒng)穩(wěn)定好、電流跟蹤性能好，響應(yīng)快、不需要載波，能夠?qū)崿F(xiàn)功率因素為1的并網(wǎng)電流輸出。仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性。

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