并網(wǎng)逆變器新型控制策略的研究

李洋, 李坤

(曲阜師范大學(xué)工學(xué)院,山東 日照 276826)

并網(wǎng)逆變器新型控制策略的研究

李洋, 李坤

(曲阜師范大學(xué)工學(xué)院,山東 日照 276826)

隨著電力電子技術(shù)的進步，將光伏電池發(fā)出的直流電經(jīng)過逆變并入電網(wǎng)的技術(shù)逐漸成熟。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器是其中的關(guān)鍵部分，而并網(wǎng)技術(shù)則成為把太陽能轉(zhuǎn)化為電能進行合理利用的核心技術(shù)。從逆變器的并網(wǎng)控制方法入手，闡述了多種并網(wǎng)技術(shù)。并對其中的PI控制進行了仿真研究，為了實現(xiàn)電流的無靜差控制，且獲得更精確的控制效果，選用一種變參數(shù)比例諧振控制策略，并進行了MATLAB仿真，驗證了設(shè)計的可行性。

并網(wǎng)逆變器；PI控制；無靜差控制；變參數(shù)比例諧振控制；MATLAB

0 引 言

逆變器并網(wǎng)發(fā)電是太陽能發(fā)電的重要研究內(nèi)容之一。當(dāng)前，國內(nèi)外，電壓源型逆變器使用電流控制的方法在光伏并網(wǎng)逆變器中得到廣泛應(yīng)用，其中控制方向是：逆變器輸出的電流與電網(wǎng)同頻、同相，同時要靠有效的控制方式來控制逆變器的輸出來滿足網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量的要求。在并網(wǎng)過程中，為確保光伏逆變器安全工作，整個光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)必須具備一定的孤島檢測與控制功能[1]。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)對并網(wǎng)逆變器的要求及并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

1)并網(wǎng)逆變器的要求[2]

(1)具有很高的效能因光伏電池成本很高，為充分提高光伏電池的效能，提升并網(wǎng)逆變器的效能非常必要。不然，必須增加光伏電池的數(shù)量，這將導(dǎo)致發(fā)電成本的增加。因此，在10 kVA以下，系統(tǒng)逆變器效能不得低于90%；在10 kVA以上，系統(tǒng)逆變器效能不低于95%。

(2)具備可靠性因太陽能發(fā)電主要用于偏遠地區(qū)，基本沒人看守，因此逆變器電路要有合適的構(gòu)架且逆變器本身要有保護功能。

(3)直流輸入電壓適應(yīng)限度較大。

(4)不能對公用電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響，且逆變輸出要為正弦電流。

(5)家用光伏發(fā)電系統(tǒng)要求電磁干擾較小。

2)光伏并網(wǎng)逆變器相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)

IEEE(美國電氣和電子工程師工程學(xué)會)在2003年頒布了分布式發(fā)電系統(tǒng)的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 1547-2003，對分布式發(fā)電在并網(wǎng)接入點電壓、頻率、電壓閃變、諧波和功率因數(shù)及防孤島措施等都有嚴格規(guī)定?，F(xiàn)對以下重要方面進行介紹。

(1)公共連接點電壓：并網(wǎng)時的端電壓范圍是88%～110%網(wǎng)側(cè)額定電壓，由此可得在我國光伏逆變器并網(wǎng)的連接點電壓范圍是193 V～242 V。超出此范圍光伏逆變器就不可以并網(wǎng)。

(2)電網(wǎng)頻率：并網(wǎng)逆變器在并入電網(wǎng)時網(wǎng)側(cè)頻率波動范圍為額定值的98.8%～100.8%，因此針對我國50 Hz的工頻電網(wǎng)來說，逆變器并網(wǎng)的頻率范圍是49.4 Hz～50.4 Hz。此范圍之外不允許并網(wǎng)。

(3)電壓閃變：連接點電壓在電網(wǎng)電壓的±5%范圍內(nèi)波動時可實行并網(wǎng)。

(4)功率因數(shù)：在輸出功率超過10%額定功率的情況下，并網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)應(yīng)高于85%。

2 逆變器的類型、特點和基本工作原理分析

逆變器的分類方式有多種[3]?？砂摧敵鱿鄶?shù)、換流方式、直流電源特性等方面分類。若按換流方法來說則分為強迫型換流、負載型換流、電網(wǎng)型換流和器件型換流四種方式。而按電源性質(zhì)可分為電壓電流兩種類型。通常來說并網(wǎng)逆變器采用電壓型。

現(xiàn)以單相橋式電壓型逆變器為例進行分析，如圖1所示。

圖1 單相橋式電壓型逆變電路

圖2 單相橋式逆變器輸出的 電流與電壓波形

如圖1單相橋式逆變電路共有上下四個橋臂，其中開關(guān)器件為全控型的電力電子器件(IGBT)。T1，T4為一工作組，T2，T3為另一工作組。上下兩個成對的橋臂在同一時刻通斷。逆變器的輸出波形如圖2所示。

從圖中可以看出，輸出電壓與負載特性無關(guān)，是矩形波，然而輸出電流的波形接近為正弦波，與負載特性相關(guān)。

3 并網(wǎng)逆變器控制方式的分析與選擇

逆變器也采用PWM控制[4]，其原理圖如圖3所示。

圖3 單相橋式PWM逆變電路

圖4 滯環(huán)比較原理示意圖

由于實際應(yīng)用中采用的是電壓型逆變器進行電流控制方式，下面就幾種電流控制方式進行分析：

(1)滯環(huán)比較方式電流跟蹤在跟蹤型電路中使用廣泛。如圖4所示。

其原理是：有滯環(huán)特征比較器的輸入是參考電流I′和實際輸出電流Io的差值I′-Io，再經(jīng)由滯環(huán)比較器(環(huán)寬為2ΔI)，最后利用其輸出值來控制IGBT的通斷，此為閉環(huán)控制方法。其中Io在I′+ΔI和I′-ΔI的范圍內(nèi)進行變化，并對指令電流I′進行鋸齒狀形式跟隨。另外，跟隨的效果與環(huán)寬有關(guān)，開通關(guān)斷的頻率在環(huán)帶寬度過寬時偏低且誤差較大；與之相反，開關(guān)頻率在環(huán)寬過窄時較高且開關(guān)損耗變大，其輸出波形的示意圖如圖5所示。

圖5 滯環(huán)比較輸出示意圖

(2)三角波比較方法如圖6所示為此方法的逆變電路拓撲圖。

圖6 三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路

經(jīng)由閉環(huán)控制，將參考電流Ir和系統(tǒng)實際輸出電流If做差后經(jīng)調(diào)節(jié)器(放大器)調(diào)節(jié)后再與三角波相比較進而生成PWM波形。其中調(diào)節(jié)器將具有比例特性或比例積分特性。

除了上述兩種方法外還有定時比較方式[5]。只需設(shè)置一個恒定時鐘，對參考信號和被控量以固定的采樣周期進行采樣，逆變器IGBT的通斷要依據(jù)兩者差值的極性來控制，使被控制量跟蹤指令信號。

(3)SPWM控制方法此種控制方法不再詳細介紹，只給出工作原理示意圖和使用方法[6]。如圖7所示。

圖7 SPWM控制方式原理圖

4 單相并網(wǎng)逆變電路的PI控制與變參數(shù)比例諧振調(diào)節(jié)

4.1 單相并網(wǎng)逆變電路的PI控制

MATLAB仿真設(shè)計依據(jù)的是上述SPWM控制方式，其中交流電網(wǎng)因無法直接測量其電壓和頻率，所以用交流電源代替，Boost電路的輸出電壓用直流源代替，指令電流信號用正弦波信號模塊(頻率為50 Hz)代替。其MATLAB原理圖如圖8所示。

圖8 并網(wǎng)逆變器MATLAB仿真原理圖

圖中整流橋所需要的四路SPWM波形是由PWM Generator模塊(離散型)產(chǎn)生，其頻率設(shè)置成2 kHz。PID模塊參數(shù)設(shè)置成P=2，I=1 000，D=0，L=4 mH,R=0.01 Ω。交流電流源峰值設(shè)置為150 V，直流電壓源為400 V，逆變橋選用IGBT。

PI控制下逆變器輸出的電流、網(wǎng)壓波形圖如圖9所示。

圖9 并網(wǎng)逆變器輸出波形

從圖中可以看出并網(wǎng)逆變器輸出電流很好的實現(xiàn)了對電網(wǎng)電壓的跟蹤，兩者的相位基本保持同步，從而并網(wǎng)逆變器的功率因數(shù)接近1。逆變器的輸出電流在允許范圍之內(nèi)存在小幅波動，逆變器輸出方波電壓與正弦電壓存在面積等效原理。

4.2 單相并網(wǎng)逆變電路的變參數(shù)比例諧振調(diào)節(jié)

由圖9可以看出，使用PI調(diào)節(jié)的電路輸出電流會出現(xiàn)許多毛刺。雖然采用PI控制方法簡單易行，但是電流環(huán)不能實現(xiàn)電流的無靜差控制，且沒有對網(wǎng)側(cè)電流進行調(diào)節(jié)，會導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流出現(xiàn)毛刺，如圖9可知。為了得到無靜差控制效果一般采用比例諧振控制[7]，但本文為了使控制更精確，因此，采用一種變參數(shù)比例諧振的單相并網(wǎng)逆變器的控制方法。如圖10所示為變參數(shù)比例諧振并網(wǎng)逆變器MATLAB仿真原理圖。

圖10 變參數(shù)比例諧振并網(wǎng)逆變器仿真原理圖

如圖11所示為變參數(shù)比例諧振控制框圖。其中PI調(diào)節(jié)器用以調(diào)節(jié)直流電壓外環(huán)穩(wěn)定直流側(cè)。Im*為網(wǎng)側(cè)電流環(huán)的電流幅值參考值，通過鎖相得到電網(wǎng)電壓相位角，并與Im*相乘得到瞬時網(wǎng)側(cè)電流參考信號IL2*，為了實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流無靜差控制，此處采用變參數(shù)比例諧振控制技術(shù)，在此基礎(chǔ)上采用網(wǎng)壓前饋控制來抑制電網(wǎng)側(cè)電壓的波動，最后經(jīng)過電流環(huán)與電網(wǎng)側(cè)電壓前饋兩個信號比較生成SPWM信號來驅(qū)動開關(guān)管，實現(xiàn)逆變器并網(wǎng)。

圖11 變參數(shù)比例諧振控制框圖

(1)當(dāng)偏差與其變化率較大時，取傳遞函數(shù)中的Kp取較大的值，增加動態(tài)響應(yīng)速度，取較小的Ki值。

(2)當(dāng)偏差與其變化率的值為中等時，Kp取中等大小的值，Ki取中等大小值。

(3)當(dāng)偏差較小，其變化率較小時，Kp取中等大小的值，Ki取較大值。

其中圖12為變參數(shù)比例諧振控制環(huán)節(jié)。

根據(jù)分析，經(jīng)仿真可得由變參數(shù)比例諧振控制后的并網(wǎng)波形，如圖13，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，并網(wǎng)側(cè)電流比之前用的PI控制波形要平滑的多，控制效果更好。

圖12 設(shè)計的變參數(shù)PR控制環(huán)節(jié)

5 結(jié)束語

本次設(shè)計以并網(wǎng)逆變器為主，主要討論了并網(wǎng)逆變器的基本工作原理與構(gòu)造，針對并網(wǎng)逆變器的控制方法進行分析，提出了多種控制方案，并對PI控制與提出的變參數(shù)PR控制進行了方針對比，發(fā)現(xiàn)了變參數(shù)PR控制的優(yōu)點。本次設(shè)計主要通過仿真驗證了方法的實用性和先進性。

圖13 變參數(shù)比例諧振控制后的并網(wǎng)波形

[1] 趙杰.光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[2] 楊軍.光伏并網(wǎng)逆變器的研制[D].北京：北京交通大學(xué)，2007.

[3] 王成山,李琰,彭克.分布式電源并網(wǎng)逆變器典型控制方法綜述[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2012,24(2):12-20.

[4] 李洋.光伏微型逆變器的研究[J].電子技術(shù)，2014,52(10):12-15.

[5] 柯程虎,張輝.小功率單相光伏并網(wǎng)逆變器的研究[J].儀器儀表學(xué)報.2014,35(12):2866-2873.

[6] 李本元.太陽能光伏發(fā)電單相并網(wǎng)逆變器研究[D].山東：山東科技大學(xué)，2010.

[7] 馬琳,金新民,唐芬,等.小功率單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流的比例諧振控制[J].北京交通大學(xué)學(xué)報,2010,34(2):128-132.

A Study on a Novel Control Strategy of Grid-connected Inverters

Li Yang, Li Kun

(College of Engineering, Qufu Normal University，Rizhao Shandong 276826,China)

With the improvement of power electronic technology, the technology for grid-connecting DC power generated by PV cells to the power grid is becoming mature gradually. The inverter is the key part of the PV generation system, while grid connection technology is the core technology to transform solar energy into electricity for rational utilization. Starting from grid connection method of the inverter, this paper explains a number of grid connection technologies, and completes a simulation of PI control. A variable parameter PR control strategy is adopted to realize astatic control of current and achieve precise control effect. Furthermore, MATLAB simulation is made to verify the feasibility of the design.

grid-connected inverter; PI control; astatic control; variable parameter PR control;MATLAB

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.017

TM615

A

1000-3886(2016)05-0050-04

李洋(1991-)，男，山東日照人，曲阜師范大學(xué)工學(xué)院，研究生，主要從事新能源發(fā)電技術(shù)研究。

定稿日期: 2016-02-24