雙級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器控制算法研究

杜毅，彭良平，湯濟(jì)澤

（東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司，四川 成都 611731）

1 引言

現(xiàn)代光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)分為2個(gè)方面，一方面是以集中型光伏電站為主導(dǎo)的并網(wǎng)技術(shù)，另一方面是以家庭用戶為主的戶用型并網(wǎng)發(fā)電。戶用型并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)可以克服日照分散性的缺點(diǎn)。除此之外，將電池板安裝在屋頂之上，可避免占用大量空地面積；戶用型并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)終端并網(wǎng)，所發(fā)出電能被負(fù)載就地消耗，減小了電能在傳輸過程中造成的損失。這樣在靈活性和經(jīng)濟(jì)性上，都比光伏電站具有更大優(yōu)勢(shì)。

在戶用型并網(wǎng)發(fā)電中，雙級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器具有體積小、重量輕、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)其控制算法進(jìn)行詳細(xì)研究。

2 光伏并網(wǎng)逆變器工作原理

雙級(jí)式并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，包括Boost和全橋逆變器電路。Boost電路完成升壓控制和MPPT，逆變器電路保證順利并網(wǎng)和將電池板發(fā)出的功率穩(wěn)定良好地輸送到電網(wǎng)。

圖1 雙級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Main circuit structure of two-stage PV grid-connected inverter

2.1 Boost電路控制算法

Boost要完成2個(gè)任務(wù)：一是在啟動(dòng)時(shí)，若太陽電池板電壓小于母線額定電壓時(shí)，Boost電路應(yīng)能完成升壓，使母線電壓達(dá)到并網(wǎng)要求；另外，就是要完成太陽能電池板的最大功率追蹤。下面分別對(duì)其進(jìn)行研究。

2.1.1 Boost軟充電技術(shù)

Boost電路由于在系統(tǒng)中屬空載運(yùn)行，對(duì)其實(shí)行軟充電技術(shù)可以保證Boost在母線電壓比較低時(shí)快速充電，而在快要接近母線電壓時(shí)，放慢充電速度，減小母線電壓過沖［1］。

軟充電方式控制流程如圖2所示，假設(shè)母線電壓額定值為400 V。在程序執(zhí)行時(shí)，先判斷母線電壓是否超過額定電壓400 V，若否，則開始充電控制。通過SoC（state of charge）判斷當(dāng)前電壓是否接近額定值，若SoC＜0.9，則表示當(dāng)前電壓值遠(yuǎn)小于額定電壓，加速充電，若否表示當(dāng)前電壓已接近額定電壓，則開始減速充電。

圖2 Boost軟充電控制流程Fig.2 Boost soft charge control process

2.1.2 MPPT技術(shù)

太陽能并網(wǎng)逆變器中，要充分發(fā)揮光伏電池板的效能應(yīng)保證電池板隨時(shí)最大功率輸出。在雙級(jí)式并網(wǎng)逆變器中，通常由Boost電路來完成MPPT控制。

根據(jù)光伏電池dp/dU變化特征如圖3所示，當(dāng)電池板工作在最大功率點(diǎn)，以及最大功率點(diǎn)兩側(cè)時(shí)，dp/dU符號(hào)不一致。若dp/dU＜0，則在最大功率點(diǎn)右邊，需要減小U來靠近最大功率點(diǎn)；若dp/dU>0，則在最大功率點(diǎn)的左邊，這需要增加 U來靠近最大功率［2］。這種實(shí)現(xiàn)MPPT的方法稱為功率擾動(dòng)法，簡(jiǎn)單有效，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖3 光伏電池dp/dU變化特征Fig.3 Photovoltaic cells dp/dU variation characteristic

圖4 P&O控制流程Fig.4 P&O control process

2.1.3 MPPT算法的2個(gè)實(shí)際問題

MPPT算法除了用于尋找最大功率點(diǎn)外，在實(shí)際系統(tǒng)中還應(yīng)該注意一些應(yīng)用問題。比如最大功率限制輸出以及逆變器降額運(yùn)行等。

最大功率限制輸出，在實(shí)際使用中，要求并網(wǎng)逆變器在發(fā)現(xiàn)輸出功率超過額定容量時(shí)，應(yīng)能夠保證MPPT不再繼續(xù)找最大功率點(diǎn)保持當(dāng)前輸出。最大輸出的處理方法簡(jiǎn)單，只需要每次在進(jìn)行MPPT前對(duì)當(dāng)前功率進(jìn)行判斷。若當(dāng)前功率超過Pmax，則保持Duty即可，否則繼續(xù)尋找最大功率點(diǎn)。

逆變器降額運(yùn)行，即逆變器由于天氣炎熱，系統(tǒng)滿功率運(yùn)行。模塊環(huán)境溫度超過警戒線，系統(tǒng)要求逆變器降額運(yùn)行。此時(shí)MPPT則不再以尋找最大功率點(diǎn)為目標(biāo)，而要求能夠降低逆變器輸出功率到指令值。此時(shí)，要求MPPT算法應(yīng)能夠朝功率減小的方向逆運(yùn)行，逆運(yùn)行程序流程如圖5所示。

圖5 P&O逆運(yùn)行控制流程Fig.5 P&O inverse operation control process

2.2 逆變器電路控制算法

并網(wǎng)逆變器在與電網(wǎng)相連接時(shí)，通常要求并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位一致來實(shí)現(xiàn)順利并網(wǎng)。與常規(guī)的逆變器把輸出電壓作為控制目標(biāo)不同，并網(wǎng)逆變器要求對(duì)輸出電流進(jìn)行控制［3］。

2.2.1 并網(wǎng)控制算法

雙級(jí)式并網(wǎng)逆變器通常要求前面Boost電路實(shí)現(xiàn)MPPT，而后級(jí)逆變器電路完成能量的轉(zhuǎn)移，這樣就完成了能量的解耦控制。這要求逆變器在運(yùn)行中，直流母線能夠保持恒定。中間母線電壓的恒定和系統(tǒng)輸入輸出功率有直接關(guān)系，當(dāng)Boost輸入功率大于逆變器輸出功率，則母線電壓升高；當(dāng)Boost輸入功率小于逆變器輸出功率，則母線電壓降低。根據(jù)中間母線電壓對(duì)能量的影響，用該原理對(duì)參考電流進(jìn)行控制［4-5］，控制框圖如圖 6所示。

圖6 并網(wǎng)逆變器控制框圖Fig.6 Grid-connected inverter control block diagram

2.2.2 并網(wǎng)啟動(dòng)

逆變器并網(wǎng)過程有2種情況：直接并網(wǎng)和間接并網(wǎng)。直接并網(wǎng)為電池板開路電壓滿足并網(wǎng)要求時(shí)，無需Boost電路對(duì)母線電容進(jìn)行升壓，逆變器直接并網(wǎng)運(yùn)行；間接并網(wǎng)為電池板開路電壓低于并網(wǎng)最低要求，需要Boost先將母線電壓升高到一定水平逆變器才能發(fā)出并網(wǎng)指令。

間接并網(wǎng)，當(dāng)電池板開路電壓低于母線電壓并網(wǎng)最低要求時(shí)，系統(tǒng)先通過Boost電路對(duì)母線電壓進(jìn)行升壓控制。當(dāng)母線電壓達(dá)到400 V，逆變器發(fā)出并網(wǎng)指令。逆變器開始緩啟動(dòng)，輸出并網(wǎng)電流慢慢增加到達(dá)最大功率點(diǎn)，穩(wěn)定輸出。

直接并網(wǎng)，當(dāng)配置的太陽能電池板電壓高于并網(wǎng)指令最低要求，逆變器可直接并網(wǎng)。在并網(wǎng)時(shí)，需要對(duì)電壓環(huán)給定電壓進(jìn)行控制。若電池板開路電壓遠(yuǎn)大于給定電壓時(shí)，直接并網(wǎng)使得母線電壓震蕩，引起超調(diào)現(xiàn)象，電流輸出不平穩(wěn)。需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

改進(jìn)方法是系統(tǒng)首先檢測(cè)電池板開路電壓Uoc。根據(jù)Uoc大小，決定以哪種方式啟動(dòng)。若電池板開路電壓大于閥值Ugate，逆變器給定電壓采取從開路電壓Uoc到400 V逐步給定。

對(duì)比改進(jìn)前后的母線電壓波形如圖7所示，可知改進(jìn)后母線電壓平穩(wěn)下降，因此保證了逆變器輸出功率的平穩(wěn)輸出。

2.2.3 低功率減小逆變器輸出電流諧波算法

并網(wǎng)逆變器在輸出功率很小的情況下，并網(wǎng)電流波形畸變率會(huì)很高。給出一種在低功率狀態(tài)下，改善輸出電流波形質(zhì)量的方法。

圖7 母線電壓波形Fig.7 Bus voltage waveforms

逆變器輸出電流的紋波為

由式（1）可知，逆變器輸出電流的紋波與母線電壓Udc、電網(wǎng)電壓ugrid、濾波電感L以及開關(guān)管輸出頻率fs有關(guān)。在逆變器一定的條件下，可通過修改母線電壓和開關(guān)頻率來減小紋波電流。由于雙級(jí)式并網(wǎng)逆變器電壓外環(huán)Udc給定值可調(diào)，所以可通過修改母線電壓Udc來降低紋波電流最為簡(jiǎn)單。

圖8展示了母線電壓在同等低功率輸出條件下并網(wǎng)電流波形情況，可知Udc降低后能夠使得輸出電流波形質(zhì)量變好。驗(yàn)證了算法的有效性。

圖8 并網(wǎng)電流波形Fig.8 Grid-connected current waveforms

3 仿真分析

分別對(duì)Boost充電控制、MPPT以及對(duì)電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的逆變器在Matlab/Simulink中建立仿真模型，對(duì)本文所提出的控制算法進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 MPPT控制技術(shù)

采用電壓源串電阻的方式來模擬太陽能電池板，設(shè)定電壓源電壓為400 V，串聯(lián)電阻R=10 Ω。則電池板功率曲線如圖9所示。

針對(duì)MPPT的2個(gè)應(yīng)用問題，對(duì)MPPT算法進(jìn)行改進(jìn)。假設(shè)MPPT最大功率限制輸出為3 000 W。則由圖10的仿真波形可知，在0～0.02 s區(qū)間內(nèi)，MPPT在找到3 000 W的功率點(diǎn)時(shí)不再繼續(xù)向上尋找最大功率點(diǎn)；另外，在0.02 s時(shí)發(fā)出降額指令要求MPPT能夠反追蹤功率點(diǎn)到2 500 W且達(dá)到穩(wěn)態(tài)，輸出仿真波形可知設(shè)計(jì)的MPPT能夠滿足要求。

圖9 直流源功率曲線Fig.9 DC source power curves

圖10 MPPT算法輸出功率波形Fig.10 MPPT algorithm output power waveforms

3.2 軟充電控制

由圖11占空比和母線電壓波形可知，由于開始母線電壓值遠(yuǎn)小于額定電壓，Boost增加占空比來加速充電；當(dāng)占空比增加到最大值時(shí)，保持占空比進(jìn)行充電；當(dāng)母線電壓接近額定值時(shí)，占空比開始減小，充電速度放慢；當(dāng)母線電壓充到額定值時(shí)，占空比為0，開關(guān)管關(guān)斷，Boost停止充電。

圖11 占空比和母線電壓波形Fig.11 Duty cycle and bus voltage waveforms

3.3 逆變器并網(wǎng)仿真分析

對(duì)采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的逆變器進(jìn)行仿真分析。由圖12可知，并網(wǎng)逆變器能夠保證逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓相位一致，電池板發(fā)出的電能能夠穩(wěn)定地送入到電網(wǎng)。

由圖13可知，逆變器電壓外環(huán)控制能夠保證母線電壓恒定。但是有二次紋波電壓波動(dòng)，這與單相逆變器本身特性有關(guān)。

圖12 并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓波形Fig.12 Grid-connected current and grid voltage waveforms

圖13 逆變器母線電壓波形Fig.13 DC bus voltage waveform of inverter

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)以上算法，采用SH7137作為并網(wǎng)逆變器控制芯片，對(duì)逆變器啟動(dòng)和并網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。樣機(jī)主回路實(shí)際參數(shù)如下：電感L=L1=L2=1.5 mH，輸出濾波電容 C=2 μF，逆變器開關(guān)頻率 fs=15 kHz。實(shí)驗(yàn)時(shí)，電網(wǎng)電壓為 320sin(ωt)，模擬直流源開路電壓210 V，串聯(lián)電阻5 Ω。MPPT電壓范圍為200～400 V。

由圖14可知，在電池板開路電壓210 V小于并網(wǎng)電壓400 V最低要求時(shí)，由Boost首先對(duì)中間母線電壓進(jìn)行升壓控制，保證母線電壓滿足并網(wǎng)要求。當(dāng)逆變器達(dá)到并網(wǎng)條件后，逆變器后端繼電器合閘，逆變器開始并網(wǎng)工作，輸出電流逐漸增大到穩(wěn)態(tài)。

圖14 逆變器啟動(dòng)時(shí)母線電壓及并網(wǎng)電流Fig.14 Bus voltage and grid current of inverter starts

圖15給出了經(jīng)過逆變器中間直流母線電壓及其二次紋波電壓與逆變器輸出電流波形，發(fā)現(xiàn)其能穩(wěn)定在給定電壓，驗(yàn)證了電壓外環(huán)算法的有效性。同時(shí)，觀察到逆變器母線電壓以二次紋波脈動(dòng)，這和單相逆變器母線電壓不可避免地存在2倍于電網(wǎng)頻率波動(dòng)相吻合。

圖15 母線電壓及其二次紋波電壓Fig.15 Bus voltage and the secondary ripple voltage

圖16給出了逆變器在穩(wěn)態(tài)輸出的情況下，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓波形。由波形可知并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓功率因數(shù)近似為1，實(shí)現(xiàn)了輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相功能，逆變器發(fā)出的功率能夠穩(wěn)定地輸送到電網(wǎng)。

圖16 并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓Fig.16 Grid current and grid voltage

5 結(jié)論

本文基于戶用型雙級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器，討論了其Boost和逆變橋控制算法。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)MPPT進(jìn)行了改進(jìn)。驗(yàn)證了改進(jìn)的MPPT可以具有最大輸出限制以及逆運(yùn)行特性。此外，對(duì)采用電壓外環(huán)、電流外環(huán)的逆變器橋進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性。

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