離網(wǎng)型三相光伏逆變器控制策略研究

王要強(qiáng)　謝海霞　曹　沖　王曉亮

（鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南　鄭州　450001）

離網(wǎng)型三相光伏逆變器控制策略研究

王要強(qiáng)謝海霞曹沖王曉亮

（鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州450001）

以離網(wǎng)型三相光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究其輸出逆變環(huán)節(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略。逆變器主電路采用三相半橋拓?fù)洌敵鰹V波器取三相星形LC結(jié)構(gòu)，控制策略以輸出電壓峰值作為閉環(huán)變量。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)三相輸出電壓變化平滑且穩(wěn)定對(duì)稱，其幅值和頻率能夠準(zhǔn)確跟蹤其給定值。

光伏發(fā)電；離網(wǎng)型；逆變器；控制策略

隨著煤、石油等化石能源的日漸枯竭與人類生存環(huán)境的不斷惡化，太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生自然資源的開發(fā)利用近年來(lái)得到了國(guó)內(nèi)外的普遍重視［1-3］，許多國(guó)家已作出大規(guī)模推廣太陽(yáng)能等可再生能源開發(fā)利用的決策和規(guī)劃［4-6］。

光伏發(fā)電是太陽(yáng)能開發(fā)利用的主要形式之一［7］，光伏發(fā)電系統(tǒng)按照是否與電網(wǎng)連接可以分為并網(wǎng)型［8-9］和離網(wǎng)型［10-11］兩大類。其中，離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)行，為負(fù)載提供穩(wěn)定的直、交流電壓。在距離電網(wǎng)較遠(yuǎn)的偏僻山區(qū)、無(wú)電區(qū)、海島、通訊基站和路燈等場(chǎng)所，離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

電力電子功率變換單元作為光伏電池陣列與用戶負(fù)載的接口單元，是實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心［12-13］。其中，逆變環(huán)節(jié)連接系統(tǒng)的直流母線和交流母線，實(shí)現(xiàn)直流-交流變換，并且逆變器作為直接面對(duì)用戶負(fù)載的輸出單元，其工作性能直接會(huì)影響到系統(tǒng)的供電質(zhì)量，是發(fā)電系統(tǒng)功率變換的關(guān)鍵。

本文以離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出逆變單元為研究對(duì)象，首先分析其電路拓?fù)渑c數(shù)學(xué)模型，然后研究光伏逆變器的控制策略，最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究?jī)?nèi)容的正確性與有效性。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由光伏陣列、升壓斬波器、充放電變換器、儲(chǔ)能單元和逆變器等部分組成。光伏陣列由太陽(yáng)能電池組件構(gòu)成；升壓斬波器一般由Boost電路構(gòu)成，完成最大功率跟蹤和升壓功能；充放電變換器為雙向變換器，和儲(chǔ)能單元合起來(lái)完成能量緩沖。

圖1　離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

逆變器連接系統(tǒng)的直流母線和交流母線，實(shí)現(xiàn)DC/ AC變換，并且作為直接面對(duì)用戶負(fù)載的輸出單元，其工作性能直接影響到系統(tǒng)的供電質(zhì)量，是系統(tǒng)功率變換的關(guān)鍵。逆變環(huán)節(jié)一般采用半橋電路拓?fù)洌涣鬏敵鰝?cè)通過濾波器與三相負(fù)載相連，如圖2所示。三相半橋拓?fù)涞墓β势骷蒊GBT（V1-V6）和與之反并聯(lián)的電力二極管（VD1-VD6）組成。

圖2　三相電壓型逆變拓?fù)?/p>

圖3為輸出濾波環(huán)節(jié)的示意圖，采用LC低通濾波器，由三相平波電感和濾波電容通過星形接法構(gòu)成，連接逆變器三相橋路輸出端與三相負(fù)載端。圖中，uU、uV、uW表示逆變器輸出電壓；ua、ub、uc表示負(fù)載端電壓，也為系統(tǒng)輸出電壓。

圖3　三相LC輸出濾波器

2　數(shù)學(xué)模擬

假定圖2所示的逆變器主電路三相平衡，濾波電感均為L(zhǎng)，濾波電容均為C，功率器件和濾波器電感的寄生電阻等效為r。由電壓、電流基爾霍夫定律（KVL、KCL），可以得到三相光伏逆變器的電壓方程和電流方程分別為：

式（1）（2）中，ia、ib、ic分別為流過三相濾波電感的電流，ioa、iob、ioc分別為流過三相負(fù)載的電流。

由公式（1）（2）可以看出，逆變器交流側(cè)電壓、電流三相之間沒有耦合關(guān)系，是相互獨(dú)立的。因此，這里只繪制出三相靜止坐標(biāo)系下電壓型逆變器的a相電路模型框圖，如圖4所示。由此可得，在控制策略上，可以對(duì)三相逆變器的三相輸出電壓分別采用三相相互獨(dú)立的控制策略。

圖4　逆變器a相模型框圖

3　控制策略

離網(wǎng)型光伏逆變器三相輸出電壓為交流信號(hào)，直接對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行控制很難實(shí)現(xiàn)輸出幅值、相位的無(wú)靜差控制。在類似應(yīng)用場(chǎng)合通常采用增加硬件有效值計(jì)算模塊的方法，對(duì)三相輸出電壓有效值進(jìn)行閉環(huán)控制。在此，為節(jié)約系統(tǒng)成本，降低硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)可靠性，通過坐標(biāo)變換，采用純軟件的方法計(jì)算輸出電壓的峰值，并以交流輸出電壓峰值作為外環(huán)調(diào)節(jié)變量進(jìn)行閉環(huán)控制。

圖5為逆變器閉環(huán)控制策略的原理結(jié)構(gòu)圖，包括輸出電壓采集電路、電感電流采集電路、輸出電壓峰值計(jì)算模塊、電壓峰值PI閉環(huán)調(diào)節(jié)器、交流電壓給定生成模塊以及PWM波形生成模塊和開關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊。在實(shí)際工作中，采集輸出電壓，經(jīng)過峰值計(jì)算模塊，獲得實(shí)際的

輸出電壓峰值，再與給定的峰值做差，其結(jié)果經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后傳送到三相交流輸出電壓給定信號(hào)生成模塊。在這一模塊中，PI調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)UPIO與三相標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)相乘，其結(jié)果再與電感壓降jω1Li相減，如公式（3）所示，獲得逆變器a相輸出電壓的調(diào)制波信號(hào)u*cona。其他兩相輸出電壓的參考信號(hào)可以通過公式（3）類比得出。

式（3）中，ω1表示輸出電壓的角頻率。

PWM波形生成電路中，逆變器輸出電壓調(diào)制波信號(hào)u*con與三角波相比較，其輸出取反后，經(jīng)過開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路傳送給逆變器的對(duì)應(yīng)的功率開關(guān)管，用于控制其導(dǎo)通與關(guān)斷。

圖5　逆變器閉環(huán)控制策略原理框圖

圖6　PI調(diào)節(jié)器原理框圖

圖6為電壓峰值PI閉環(huán)調(diào)節(jié)器的原理框圖，參考給定信號(hào)u*（t）與采集到的反饋信號(hào)u（t）做差后，得到誤差信號(hào)e（t），然后經(jīng)比例、積分環(huán)節(jié)后，作用到被控對(duì)象上，從而得到輸出信號(hào)u（t）。

輸出信號(hào)u（t）與誤差信號(hào)e（t）之間的表達(dá)式為

式（4）中，Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；e（t）為變量給定值與反饋值的偏差，有：

為避免電流調(diào)節(jié)器進(jìn)入飽和狀態(tài)，保證調(diào)節(jié)器的線性調(diào)節(jié)作用，在此，在傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入退飽和函數(shù)，以改善電壓峰值調(diào)節(jié)器工作過程的線性度，加快系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

取退飽和函數(shù)sat（x）為：

式（6）中，k、r為正實(shí)數(shù)；x取為公式（4）傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器，即有：

從而得到改進(jìn)后的PI調(diào)節(jié)器表達(dá)式為：

4　仿真結(jié)果與分析

為驗(yàn)證離網(wǎng)型三相光伏逆變控制策略的正確性與有效性，在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下搭建系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行仿真研究。仿真參數(shù)如表1所示。

表1　仿真參數(shù)

圖7為按照?qǐng)D5所示的控制策略，得到的三相光伏逆變器輸出電壓測(cè)量值的仿真波形。由圖7可以看出，系統(tǒng)三相輸出電壓變化平滑，平衡穩(wěn)定，其幅值和頻率能夠跟蹤其給定值。

以TI數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812為主控芯片，三菱功率模塊PM75RLA120為橋路單元，其他參數(shù)與表1所示的仿真參數(shù)保持一致，搭建離網(wǎng)型三相光伏逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。圖8為得到的系統(tǒng)三相輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形，由圖8可以看出，三相電壓穩(wěn)定對(duì)稱，能夠跟蹤其給定值。

5　結(jié)論

本文以離網(wǎng)型三相光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要研究了其輸出逆變環(huán)節(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，并對(duì)研究?jī)?nèi)容的正確性和有效性進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，系統(tǒng)三相輸出電壓穩(wěn)定平衡，且其幅值和頻率能夠準(zhǔn)確跟蹤其給定值。研究結(jié)果對(duì)于離網(wǎng)型光伏發(fā)電領(lǐng)域的理論發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義，也可以為其工程應(yīng)用提供借鑒和參考。

圖7　系統(tǒng)三相輸出電壓仿真波形

圖8　系統(tǒng)三相輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形

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Control Strategy of Three-phase Stand-alone Photovoltaic Inverter

Wang YaoqiangXie HaixiaCao ChongWang Xiaoliang
（School of Electrical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

In this paper，three-phase stand-alone photovoltaic generation system was taken as the research object，the output inverter topology and control strategy were investigated.Three-phase half-bridge topology was adopted as the inverter main circuit，Y connected LC structure was selected in the output filter，and the output voltage peak value was chosen as the closed-loop feedback variable.Simulation and experimental results showed that，the threephase output voltages varied smoothly，keep stable and balanced，and its amplitude and frequency could track the

ignal accurately.

photovoltaic generation；stand-alone；inverter；control strategy

TM615

A

1003-5168（2016）07-0132-04

2016-06-16

國(guó)家自然科學(xué)基金（51507155）；中國(guó)博士后科學(xué)基金（2013M541990）；河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目（152300410046）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（14A470002）；河南省產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目（142107000060）；鄭州大學(xué)專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)案例項(xiàng)目（YJSAL201507）。

王要強(qiáng)（1982-），男，博士，研究方向：新能源發(fā)電、電力控制與傳動(dòng)技術(shù)。