光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器瞬時值控制方案的仿真研究

王青林，陳宏濤（遼寧省交通高等?？茖W(xué)校，沈陽　110122）

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器瞬時值控制方案的仿真研究

王青林，陳宏濤
（遼寧省交通高等?？茖W(xué)校，沈陽110122）

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器輸出波形控制是關(guān)鍵技術(shù)，本文介紹了兩種瞬時值控制的電壓電流雙閉環(huán)SPWM逆變器方案，一種基于電感電流反饋，另一種基于電容電流反饋。對所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行了較詳細(xì)的理論分析，并建立了數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上利用MATLAB/SIMULINK搭建了該系統(tǒng)的仿真模型，并在該仿真模型上進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果驗證了采用基于電容電流反饋的雙環(huán)瞬時值控制的SPWM逆變器具有波形正弦度好、動態(tài)響應(yīng)速度快、控制精度高和適應(yīng)負(fù)載能力強(qiáng)等特點。

電力電子；逆變器；瞬時值控制；電容電流反饋；輸出電壓環(huán)

隨著傳統(tǒng)的石化能源存量日益減少和人類渴求低碳環(huán)保的生存環(huán)境，可再生能源的研究和使用提上日程，如風(fēng)能、太陽能等資源。具有存量大、清潔等特點的太陽能備受關(guān)注，成為最具有潛力應(yīng)用的新能源之一。光伏發(fā)電具有免維護(hù)、無噪聲等優(yōu)點，但光伏發(fā)電系統(tǒng)存在一些不足，最突出的就是發(fā)電效率低（9%～16%），且光伏電池的輸出功率與光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等因素有關(guān)［1］。為適應(yīng)各種不同性質(zhì)負(fù)載的要求和與電網(wǎng)的同步，光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器輸出波形要求是同頻、同幅值、同相位的波形，當(dāng)前常用的有電壓瞬時值反饋、無差拍控制［2］和重復(fù)控制［3］等方案，但都是單閉環(huán)控制技術(shù)。因此這些控制方案只能解決一部分問題，實際應(yīng)用中使得系統(tǒng)有更好的動態(tài)與靜態(tài)性能，一般采用雙閉環(huán)瞬時值控制方案，即采用電感電流反饋的雙閉環(huán)控制和采用電容電流反饋的雙閉環(huán)控制［4］。采用電感電流反饋的雙閉環(huán)控制具有較強(qiáng)的抗短路能力，負(fù)載適應(yīng)能力差，調(diào)節(jié)特性差；而電容電流反饋的雙閉環(huán)控制負(fù)載匹配性強(qiáng)，控制精度高。

1　單相逆變器狀態(tài)模型

本文采用一種具有固定開關(guān)頻率的瞬時值控制技術(shù)，其主要控制思路是：電壓基準(zhǔn)值與輸出反饋電壓經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器（PI）處理后作為控制電流的基準(zhǔn)，電流基準(zhǔn)和反饋電流的差經(jīng)過比例放大后與三角載波交截，導(dǎo)出正弦脈寬調(diào)制（SPWM）信號來控制功率器件的關(guān)斷與導(dǎo)通，以確保輸出電壓波形穩(wěn)定性。

圖1是雙閉環(huán)瞬時值控制SPWM逆變器原理框圖。其中，取至電感電流iL就是電感電流內(nèi)環(huán)反饋；

取至電容電流iC就是電容電流內(nèi)環(huán)反饋。

根據(jù)分析可知，對SPWM逆變器進(jìn)行線性化處理后得到如圖2所示的等效模型。

2　系統(tǒng)性能分析

由于電網(wǎng)中的負(fù)荷是多變的不確定的，導(dǎo)致逆變器的負(fù)載也是變動的，這樣可以把負(fù)載電流io可看作是對電容電流環(huán)的擾動輸入。因此在分析系統(tǒng)開環(huán)特性時，io及Δud影響很小，由圖2，考慮到iL=io+iC可以得到電感電流反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

其中：A1=KikPWMKPIτPI；A0=KikPWM；

B0=KiKvfkPWMKlf是電感電流反饋系數(shù)

下面是采用濾波電容電流反饋的閉環(huán)傳遞函數(shù)：

其中：A1；A0；B3；B0與式（1）相同；

Kcf是電容電流反饋系數(shù)。

2.1穩(wěn)定性分析

設(shè)K1f=Kcf=Kif

對于式（1）、（2）式根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)可知電容電流反饋在穩(wěn)定方面較電感電流反饋要求高點。

2.2系統(tǒng)外特性分析

設(shè)逆變器帶負(fù)載R時的靜態(tài)誤差定義為：

由上式可知δ越大系統(tǒng)外特性越軟，即τPI越大濾波電容C越大，則Kδ越小δ越大外特性越軟，因此采用電容電流反饋時的外特性比采用電感電流反饋的硬。

2.3電流誤差變化率與開關(guān)頻率的分析

電流跟蹤速度是由電流誤差變化率表征，鑒于固定開關(guān)頻率的電流瞬時值控制，由電流誤差作為調(diào)制波與三角載波進(jìn)行交截，并且要求三角波斜率大于電流誤差變化率，否則就會發(fā)生重復(fù)交截現(xiàn)象，這樣開關(guān)失控因此必須避免重復(fù)交截現(xiàn)象。對于電容電流反饋而言則有：當(dāng)Ki過大時容易發(fā)生多次相交現(xiàn)象，故Ki不能取得過大。

電容電流只反映輸出電壓的變化，其上的電流是正弦波，能有效減小諧波誤差環(huán)流，那么采用電容電流反饋的系統(tǒng)具有更好的負(fù)載適應(yīng)能力。

3　仿真驗證

本文利用MATLAB/SIMULIK軟件工具建立系統(tǒng)仿真模型，仿真用參數(shù)：開關(guān)頻率：fs=10kHz，UDC=400V，Kvf=0.05，Kif=0.15，濾波電感L=1.5mH，濾波電容C=30μF。在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置一樣的情況下，采用電感電流和電容電流做為反饋量對系統(tǒng)進(jìn)行仿真波形如下：圖3是電感電流反饋控制系統(tǒng)突加阻性負(fù)載（t=0.02s）電壓電流波形圖，圖4是電感電流反饋控制系統(tǒng)帶非線性負(fù)載的仿真波形圖，圖5是電容電流反饋控制系統(tǒng)突加阻性負(fù)載（t=0.02s）電壓電流仿真波形圖，圖6是電容電流反饋控制系統(tǒng)帶非線性類負(fù)載仿真波形。

通過上面的仿真波形，可以從圖3與圖5的比較可以看出同樣的系統(tǒng)參數(shù)情況下，采用電容電流反饋控制系統(tǒng)的外特性硬，從圖4與圖6的比較可以得出在負(fù)載為非線性整流負(fù)載時采用電感電流反饋控制時負(fù)載電壓電流畸變很大電壓降落也較大，而采用電容電流反饋控制時電壓波形正弦度好，降落小負(fù)載電流畸變也較采用電感電流反饋控制小。

4　結(jié)論

本文通過選取反饋量不同的瞬時值控制中研究給出了兩種控制方案的開關(guān)頻率，穩(wěn)定性外特性非線性負(fù)載分析的定量關(guān)系式得出電容電流反饋外特性硬，非線性負(fù)載能力強(qiáng)是綜合性能較優(yōu)的瞬時值控制方案，由于電容電流反饋技術(shù)方案能夠反映負(fù)載電壓的變化率，所以電容電流反饋技術(shù)方案具有更好的適應(yīng)非線性負(fù)載的能力，是綜合性能較優(yōu)的電流瞬時值控制方案。

［1］高厚磊，田佳等.能源開發(fā)新技術(shù)—分布式發(fā)電［J］.山東大學(xué)學(xué)報：工程版，2009，39（05）：107-108.

［2］Guo W N，Duan S X，Sun X J，et al.A modified deadbeat control for single-phase voltage-source PWM inverters based on asymmetric regular sample［C］.IEEE PSEC，2001（02）：962-967.

［3］孫雪娟，王荊江，彭力等.基于內(nèi)模原理的三相電壓源逆變源的波形控制技術(shù)［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2003，23（07）：67-70.

［4］Wu H Y，Dong L，Zhang D H，et.al.A current-mode control technique with instantaneous inductor-current feedback for UPS inverter［C］.IEEE-APEC’99，1999：951-957.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.148

王青林（1975-），男，山西大同人，碩士，主要從事電力傳動方面的應(yīng)用。