兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器的非線性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于國(guó)慶 段高磊

摘 要： 傳統(tǒng)兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器控制策略存在系統(tǒng)無(wú)效損耗過(guò)大、系統(tǒng)控制效率低下等問(wèn)題。為了有效解決此問(wèn)題，設(shè)計(jì)新型兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器的非線性控制系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光伏并網(wǎng)逆變器非線性控制進(jìn)網(wǎng)電流環(huán)設(shè)計(jì)、非線性控制系統(tǒng)直流母線電壓環(huán)設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。通過(guò)兩級(jí)式光伏非線性控制側(cè)功率解耦電容設(shè)計(jì)、系統(tǒng)母線電容設(shè)計(jì)、系統(tǒng)Boost電感設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。模擬新型系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器控制策略相比，新型系統(tǒng)能有效控制無(wú)效損耗，大幅提升系統(tǒng)控制效率。

關(guān)鍵詞： 兩級(jí)式光伏; 并網(wǎng)逆變器; 控制系統(tǒng); 進(jìn)網(wǎng)電流環(huán); 母線電壓環(huán); 解耦電容; Boost電感

中圖分類號(hào)： TN964?34; TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）12?0108?03

Abstract： As there exist problems such as excessive invalid loss and low control efficiency of the system in the control strategy of the traditional two?stage photovoltaic grid?connected inverter， a nonlinear control system is designed for the new two?stage photovoltaic grid?connected inverter. The hardware design of the system is accomplished by means of the design of the system structure， network current loop for nonlinear control of the photovoltaic grid?connected inverter， and DC bus voltage loop of the nonlinear control system. The software design of the system is accomplished by means of the design of the power decoupling capacitance on the two?stage photovoltaic nonlinear control side， bus capacitance of the system， and Boost inductance of the system. The contrast experiment was carried out by simulating the operating environment of the new system. The results show that in comparison with the control strategy of the traditional two?stage photovoltaic grid?connected inverter， the new system can effectively control the invalid loss and greatly improve the system control efficiency.

Keywords： two?stage photovoltaic; grid?connected inverter; control system; network current loop; bus voltage loop; decoupling capacitance; Boost inductance

光伏發(fā)電系統(tǒng)包括離網(wǎng)型光伏發(fā)電、并網(wǎng)型光伏發(fā)電兩種。其中，離網(wǎng)型光伏發(fā)電可細(xì)分為有輔助源型、無(wú)輔助源型兩大類?？偟膩?lái)說(shuō)，離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)自然環(huán)境的污染也相對(duì)較小，此種系統(tǒng)大多被應(yīng)用于對(duì)偏遠(yuǎn)的島嶼地區(qū)進(jìn)行電力供給。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，必須外接逆變器負(fù)載，并通過(guò)此裝置直接與電網(wǎng)相連，產(chǎn)生集中式供電和分散式供電。其中，集中式光伏供電系統(tǒng)的變現(xiàn)形式，包括光伏建筑、光伏發(fā)電站等，分散式供電系統(tǒng)主要表現(xiàn)為光伏屋頂。兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電的能量變換核心單元，對(duì)其進(jìn)行有效的非線性控制，不僅能夠大幅縮減系統(tǒng)的搭建成本，也能保證入網(wǎng)電流的質(zhì)量及效率等屬性得到大幅度的提升[1?2]。而傳統(tǒng)兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器控制策略利用PWM調(diào)制方式，對(duì)所有入網(wǎng)電流進(jìn)行控制，雖然一定程度上，緩解變換器與母線的入網(wǎng)電流壓力，且這種方法，極易造成系統(tǒng)無(wú)效損耗過(guò)大、系統(tǒng)控制效率低下等現(xiàn)象的出現(xiàn)。為了降低此類現(xiàn)象的發(fā)生幾率，通過(guò)對(duì)進(jìn)網(wǎng)電流環(huán)、母線電流環(huán)、母線電容、Boost電感等結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，完成系統(tǒng)的軟硬件模塊設(shè)計(jì)。且通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，證明新型系統(tǒng)確實(shí)比傳統(tǒng)方法，具備更高的實(shí)用性價(jià)值。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器非線性控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、進(jìn)網(wǎng)電流環(huán)設(shè)計(jì)、母線電壓環(huán)設(shè)計(jì)三部分組成，具體搭建過(guò)程可按如下步驟進(jìn)行。

1.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器非線性控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包含光伏陣列、充放電控制器、蓄電池、并網(wǎng)逆變器、負(fù)載裝置等模塊 。其中，并網(wǎng)逆變器是負(fù)責(zé)系統(tǒng)能量變換的核心環(huán)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行安全性起到控制作用。光伏陣列可采集到系統(tǒng)非線性控制指令的電信號(hào)，并將此信號(hào)傳輸至充放電控制器[3?4]。蓄電池與充放電控制器直接相連，既可以向充放電控制器輸送所需的電能，也可以將充放電控制器中多余的電能進(jìn)行回收存儲(chǔ)。并網(wǎng)逆變器作為充放電控制器的下級(jí)結(jié)構(gòu)，與電網(wǎng)負(fù)載結(jié)構(gòu)直接相連。

1.2 光伏并網(wǎng)逆變器非線性控制進(jìn)網(wǎng)電流環(huán)設(shè)計(jì)

兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器非線性控制系統(tǒng)，硬件進(jìn)網(wǎng)電流環(huán)采用橋臂式開(kāi)關(guān)，保證非線性控制系統(tǒng)的連通性。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器始終保持連通狀態(tài)，使控制進(jìn)網(wǎng)電流環(huán)開(kāi)關(guān)頻率恒大于基波頻率。光伏并網(wǎng)逆變器非線性控制進(jìn)網(wǎng)電流環(huán)以SPWM原理作為主要搭建依據(jù)[5?6]。為了保證電流質(zhì)量始終維持較高水平，必須令載波信號(hào)在相鄰兩個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，出現(xiàn)兩次峰值，在每次達(dá)到峰值時(shí)，對(duì)進(jìn)入電流環(huán)的進(jìn)網(wǎng)電流實(shí)行非線性控制，已達(dá)到系統(tǒng)的控制作用。

1.3 非線性控制系統(tǒng)硬件直流母線電壓環(huán)設(shè)計(jì)

兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器非線性控制系統(tǒng)硬件直流母線電壓環(huán)，前端承接逆變器網(wǎng)側(cè)電流。忽略功率損耗的情況下，在全橋逆變器中，對(duì)網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行逆變?cè)鰤禾幚?，?dāng)網(wǎng)側(cè)電流達(dá)到額定數(shù)值時(shí)，認(rèn)定此刻的電壓為直流母線電壓。對(duì)直流母線電壓進(jìn)行輸入逆變處理，求取有效穩(wěn)壓母線電壓[7]。根據(jù)電壓、電流雙環(huán)控制原理對(duì)母線電壓進(jìn)行環(huán)控處理，完成環(huán)控處理的直流母線電壓，會(huì)自動(dòng)按照環(huán)狀形態(tài)向下傳遞，此環(huán)狀結(jié)構(gòu)即為直流母線電壓環(huán)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上述過(guò)程完成系統(tǒng)硬件模塊搭建。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的順利運(yùn)行，還需按照如下步驟完成系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)。

2.1 兩級(jí)式光伏非線性控制側(cè)功率解耦電容設(shè)計(jì)

兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器非線性控制系統(tǒng)側(cè)功率解耦電容設(shè)計(jì)利用光伏電池的輸出特性曲線。當(dāng)輸出電壓達(dá)到最大功率時(shí)，記錄此時(shí)的脈動(dòng)功率為最大波動(dòng)功率。當(dāng)輸出電壓達(dá)到最小值時(shí)，記錄此時(shí)的脈動(dòng)功率為最小光伏功率[8]。系統(tǒng)側(cè)功率解耦電容始終在最大波動(dòng)功率與最小光伏功率間變化，根據(jù)每次變化情況的不同，完成系統(tǒng)側(cè)功率解耦電容設(shè)計(jì)。

2.2 非線性控制系統(tǒng)軟件母線電容設(shè)計(jì)

非線性控制系統(tǒng)軟件母線電容以額定功率為1 kW的電路元件作為標(biāo)準(zhǔn)電容，電網(wǎng)的頻率通常情況下保持在48.5～51.5 Hz之間。當(dāng)非線性控制系統(tǒng)軟件母線電容滿足上表的約束條件時(shí)，母線電容所產(chǎn)生的非線性控制電容電壓波形如圖1所示。

2.3 非線性控制系統(tǒng)軟件Boost電感設(shè)計(jì)

非線性控制系統(tǒng)軟件Boost電感設(shè)計(jì)利用電流提供的波頭作為開(kāi)關(guān)頻率的紋波。系統(tǒng)軟件Boost電感決定流過(guò)系統(tǒng)電流的高頻紋波總量，故系統(tǒng)軟件Boost電感值的大小直接影響系統(tǒng)的非線性控制穩(wěn)定性[9]。若系統(tǒng)Boost電感在相鄰兩個(gè)周期的變化幅度始終保持平穩(wěn)狀態(tài)，兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器非線性控制系統(tǒng)也可以保持平穩(wěn)的非線性控制情況。若系統(tǒng)Boost電感在相鄰兩個(gè)周期的變化幅度不能長(zhǎng)時(shí)間保持平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器非線性控制系統(tǒng)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

上述過(guò)程完成兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證該新型系統(tǒng)確實(shí)比傳統(tǒng)系統(tǒng)具備更強(qiáng)的實(shí)用性價(jià)值。以兩臺(tái)配置相同的計(jì)算機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，一臺(tái)搭載新型系統(tǒng)，作為實(shí)驗(yàn)組;另一臺(tái)搭載傳統(tǒng)系統(tǒng)，作為對(duì)照組。令兩臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)模擬系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，在保持一段時(shí)間的工作狀態(tài)后，分別記錄兩組系統(tǒng)的無(wú)效損耗情況及系統(tǒng)控制效率[10]。

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。表中參數(shù)依次代表控制效率、逆變器運(yùn)行效率、線性控制參數(shù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)總量、并網(wǎng)逆變參數(shù)、兩級(jí)式光伏參數(shù)。其中，線性控制參數(shù)與10-8成正比。為了保證實(shí)驗(yàn)的公平性，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組參數(shù)始終保持一致。

3.2 系統(tǒng)無(wú)效損耗對(duì)比

兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器非線性控制系統(tǒng)的無(wú)效損耗情況，與PDA指標(biāo)的變化情況呈正比。當(dāng)PDA指標(biāo)增大時(shí)，系統(tǒng)的無(wú)效損耗也增大，反之則減小。圖2、圖3分別為實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組系統(tǒng)的無(wú)效損耗情況。對(duì)比圖2、圖3可知，實(shí)驗(yàn)組PDA指標(biāo)隨時(shí)間的變化，先增加再減小，最大值僅為32.21%。實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)的無(wú)效損耗情況，也隨時(shí)間的變化，先增加再減小，最大值僅為36.58%。對(duì)照組PDA指標(biāo)隨時(shí)間的變化始終保持增加狀態(tài)，最大值達(dá)到40.08%。對(duì)照組系統(tǒng)的無(wú)效損耗情況，也隨時(shí)間的變化，始終保持增加狀態(tài)，最大值達(dá)到49.96%，明顯高于實(shí)驗(yàn)組。所以，可證明應(yīng)用兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器非線性控制系統(tǒng)確實(shí)可以有效控制無(wú)效損耗情況。

3.3 系統(tǒng)控制效率對(duì)比

完成系統(tǒng)無(wú)效損耗對(duì)比后，利用特殊方法記錄實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的系統(tǒng)控制效率。詳情如圖4所示。

分析圖4可知，實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)控制效率最大值為45.42%，最小值為17.88%，二者間差值為27.54%。對(duì)照組系統(tǒng)控制效率最大值為52.36%，最小值為2.19%，二者間差值為50.17%，明顯大于實(shí)驗(yàn)組。系統(tǒng)控制效率最大值與最小值間差值越大，代表系統(tǒng)控制效率越低，非線性控制性能越差。所以，可證明應(yīng)用兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器非線性控制系統(tǒng)確實(shí)可以大幅提升系統(tǒng)控制效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器非線性控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，有效改善了原有方法的弊端，提升了無(wú)效損耗情況的控制性，并增強(qiáng)非線性控制性能。

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