光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究

【摘要】隨著光伏技術(shù)的日益發(fā)展，對(duì)太陽(yáng)能的利用逐漸從無(wú)電地區(qū)發(fā)展到有電地區(qū)，許多國(guó)家都推出了光伏發(fā)電計(jì)劃。在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器實(shí)現(xiàn)把太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生直流電能轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)同頻同相的交流電能并且饋入電網(wǎng)，光伏并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的樞紐單元。

【關(guān)鍵詞】光伏逆變器并網(wǎng)控制

Abstract：With the increasing development of photovoltaic technology, the use of solar energy to electricity area gradually from no development areas have electricity , many countries have introduced a photovoltaic power generation projects. In grid-connected PV system , the inverter to achieve the solar panels generate DC power into the grid with the same frequency and phase of the AC power and fed into the grid , photovoltaic grid inverters are grid-connected PV systems hub unit.

Key wrods:Photovoltaic，inverter，grid connected control

一、引言

太陽(yáng)能光伏發(fā)電，二十一世紀(jì)理想的新能源之一。同有限的化石燃料能源相比，太陽(yáng)輻射能預(yù)計(jì)在未來(lái)100億年里可保持近似恒定輸出，堪稱(chēng)無(wú)限的能源 。根據(jù)測(cè)算，1年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能總量是當(dāng)前世界已探明儲(chǔ)量的化石能源的一萬(wàn)多倍 。我國(guó)是太陽(yáng)能資源比較豐富的國(guó)家之一，全國(guó)國(guó)土面積2/3以上的地區(qū)每年的平均日照時(shí)間超過(guò)2000小時(shí)，具有發(fā)展利用太陽(yáng)能資源得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。可見(jiàn)光伏發(fā)電勢(shì)必成為21世紀(jì)最主要的能源之一。

二、光伏并網(wǎng)逆變器總體控制策略

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器多以?xún)杉?jí)式結(jié)構(gòu)為主，前級(jí)為boost升壓型的DC/DC電路，后級(jí)為全橋逆變電路。光伏并網(wǎng)逆變器把太陽(yáng)能光伏電池板產(chǎn)生直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電能并且饋入電網(wǎng)。光伏并網(wǎng)逆變器輸入是光伏陣列的電壓和電流，輸出是并入電網(wǎng)的有功、無(wú)功功率。大電網(wǎng)電壓是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的量，所以對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的輸出就是并入電網(wǎng)的電流。這樣，對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的控制，就是對(duì)這些輸入量和輸出量的控制。

兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器的控制流程如圖1所示。在圖1中，DC/DC變換電路實(shí)現(xiàn)電池板的最大功率點(diǎn)追蹤，保證電池板始終工作在最大功率輸出狀態(tài)。通過(guò)比較不同占空比（D）條件下，輸入功率（Ppv=Vpv×Ipv）的大小，來(lái)調(diào)節(jié)D使輸入功率始終保證最大。

圖1中后級(jí)DC/AC逆變部分采用雙閉環(huán)控制，即電壓外環(huán)加電流內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)控制輸出有功功率大小，穩(wěn)定直流母線(xiàn)電壓在一個(gè)恒定值（不小于滿(mǎn)足并網(wǎng)要求的最小值1.414倍電網(wǎng)電壓）。首先通過(guò)功率換算得到并網(wǎng)電流幅值主參考指令I(lǐng)g-m* ，同時(shí)通過(guò)電壓外環(huán)BUS電壓環(huán)控制器得到并網(wǎng)電流幅值補(bǔ)償參考指令I(lǐng)g-e* ，將兩個(gè)參考指令相加得到并網(wǎng)電流幅值參考指令I(lǐng)g* 。由PLL鎖相環(huán)生成與電網(wǎng)電壓同步的正弦參考信號(hào)，與電流幅值參考指令I(lǐng)g*相乘就得到電流內(nèi)環(huán)瞬時(shí)電流值參考指令ig*，最后通過(guò)電流內(nèi)環(huán)控制器完成逆變器并網(wǎng)電流控制。關(guān)于并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)將在后面給出。

在功率控制方面，輸出功率直接從輸入功率出獲得，即直接由輸入功率Ppv得到并網(wǎng)電流幅值參考指令I(lǐng)g-m*，實(shí)現(xiàn)了超前控制，降低了對(duì)母線(xiàn)電壓外環(huán)控制器積分的依賴(lài)，防止積分飽和。在輸入功率突變時(shí)，輸出能快速地跟隨輸入的變化而變化，削弱了母線(xiàn)電壓沖擊，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

三、網(wǎng)壓前饋的雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制

電壓外環(huán)控制的作用是保證母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)輸出電能和輸入電能的平衡。在兩級(jí)式拓?fù)渲?，?shí)現(xiàn)前級(jí)和后級(jí)的完全解耦，最終達(dá)到模塊化控制。當(dāng)光伏陣列的輸出電能大于并網(wǎng)電能時(shí)，直流母線(xiàn)電容充電，母線(xiàn)電壓升高；當(dāng)光伏陣列輸出電能小于并網(wǎng)電能時(shí)，直流母線(xiàn)電容放電，此時(shí)母線(xiàn)電容和光伏陣列一起給電網(wǎng)提供電能，母線(xiàn)電壓降低。由于實(shí)際控制系統(tǒng)中，電流內(nèi)環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電壓外環(huán)的響應(yīng)速度，因此可以假設(shè)并網(wǎng)電流Iac與給定電流是無(wú)靜差的。電壓外環(huán)采用PI控制，由于PI控制器跟蹤階躍信號(hào)不存在靜態(tài)誤差，可很好實(shí)現(xiàn)外環(huán)控制。在電壓外環(huán)和鎖相環(huán)作用下，得到了內(nèi)環(huán)所需的并網(wǎng)電流瞬時(shí)值指令信號(hào)，此時(shí)問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為如何無(wú)差的跟蹤電流瞬時(shí)指令。

目前，系統(tǒng)控制器比較流行的的控制方式有滯環(huán)控制、PI控制及比例諧振(PR)控制等。滯環(huán)控制屬于實(shí)時(shí)控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快?？刂扑惴ê?jiǎn)單，但其控制的開(kāi)關(guān)頻率不固定，輸出電流諧波難以控制。比例諧振控制在固定的頻率點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制，對(duì)諧波能夠有效抑制。但實(shí)際設(shè)計(jì)中，比例諧振控制器由于電子元器件精度及控制芯片采用精度等問(wèn)題，導(dǎo)致其較難實(shí)現(xiàn)。而且當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，控制器并不能有效放大基波信號(hào)，抑制電網(wǎng)諧波信號(hào)。PI控制器控制簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。PI控制器對(duì)直流信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)靜差跟隨，對(duì)正弦信號(hào)的控制效果相當(dāng)較弱。但綜合系統(tǒng)精度、實(shí)現(xiàn)難易度、控制性能等，電流內(nèi)環(huán)控制器采用PI控制器。

電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償是利用開(kāi)環(huán)方式來(lái)補(bǔ)償擾動(dòng)信號(hào)，其不會(huì)改變系統(tǒng)本身特性。如果不采用前饋補(bǔ)償，控制器必須增大比例系數(shù)來(lái)提高系統(tǒng)增益，但這樣可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。而采用電網(wǎng)電壓反饋控制的系統(tǒng)則可以選取較小的增益，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。加入電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償后電流內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著石化能源日趨枯竭，環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，綠色清潔新型能源越來(lái)越受到各國(guó)的重視。太陽(yáng)能以其高效、清潔等優(yōu)點(diǎn)，得到了全世界廣泛的關(guān)注。并網(wǎng)逆變器作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的樞紐單元，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中起到關(guān)鍵作用。光伏并網(wǎng)逆變器的雙閉環(huán)控制即保證了并網(wǎng)電流控制的穩(wěn)態(tài)性能又保證了控制的動(dòng)態(tài)性能，在加入網(wǎng)壓前饋環(huán)節(jié)后，很好的抑制了電網(wǎng)電壓對(duì)并網(wǎng)電流產(chǎn)生影響。

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作者簡(jiǎn)介：凌洋（1988-）江蘇宿遷人，安徽理工大學(xué)2011級(jí)控制理論與控制工程碩士研究生，主要從事智能控制技術(shù)研究