光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)研究*

葛笑寒

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，河南三門峽472000）

0 引言

光伏技術(shù)成為新能源研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)[1]。光伏系統(tǒng)要始終保持在最大功率點(diǎn)向電網(wǎng)提供電流。常用擾動(dòng)觀察法可以使面板的功率最大化[2]，但常規(guī)擾動(dòng)法易出現(xiàn)震蕩和誤判；智能跟蹤算法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊邏輯法等[3]，但方法較為復(fù)雜。

光伏逆變器并網(wǎng)運(yùn)行，采用電流加權(quán)控制的LCL濾波技術(shù)能夠快速響應(yīng)消除諧波[4]，但對(duì)參數(shù)變化敏感。逆變輸出需要跟蹤電網(wǎng)的變化，鎖相PLL技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)輸出和電網(wǎng)的同步[5]，但是計(jì)算復(fù)雜。因此，考慮用變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法討論最大功率跟蹤，用電容電流反饋的有源阻尼法進(jìn)行控制策略分析，用基于二階積分的鎖相技術(shù)對(duì)輸出進(jìn)行跟蹤。

1 光伏逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)主要由光伏陣列、DC-DC變換器、有源逆變器及驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。DC-DC接收光伏板的電流電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)雙直流變換器，輸出交流電信號(hào)，最后并網(wǎng)運(yùn)行?？刂破鞑捎肕PPT算法、鎖相技術(shù)等產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)主電路工作。并且保障直流母線電壓恒定，輸出交流電流電壓能夠和電網(wǎng)電壓電流同步。

2 光伏逆變系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 MPPT技術(shù)

圖1 光伏逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)電路理論，當(dāng)光伏系統(tǒng)的負(fù)載阻抗和電源阻抗相等時(shí)，有最大輸出功率，因此MPPT控制就是不斷調(diào)整負(fù)載阻抗，使其跟蹤輸出阻抗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。系統(tǒng)采集光伏板的電壓和電流信號(hào)，MPPT計(jì)算光伏板的最大功率，直流變換器的控制器G（S）保證光伏板的輸出電壓始終跟蹤MPPT的輸出電壓。從而使得光伏系統(tǒng)始終工作最大功率點(diǎn)。光伏控制策略主要有電導(dǎo)增量法和擾動(dòng)觀察法等。基于最優(yōu)梯度的觀察法的電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)能夠跟隨電池的伏安曲線的斜率自動(dòng)調(diào)整，會(huì)隨著最大功率點(diǎn)的的距離增加而增加。

假設(shè)光伏系統(tǒng)的環(huán)境恒定，則MPPT控制最優(yōu)梯度工作流程如圖2所示，設(shè)置系統(tǒng)的擾動(dòng)系數(shù)及初始變化率，計(jì)算當(dāng)前光伏電池的功率及梯度。然后設(shè)置下個(gè)時(shí)刻的輸出電壓參考值，重復(fù)這兩個(gè)過(guò)程，直至找到最大功率點(diǎn)?？刂破骺刂乒夥骞ぷ髟谠摴ぷ鼽c(diǎn)。

圖2 MPPT工作流程

2.2 逆變器電流回路控制

為消除逆變諧波，在其輸出側(cè)有一個(gè)LCL濾波器，該濾波器就有好的高頻衰減能力[6]。如圖3所示，這里Vi是逆變器輸出電壓，Vg是電網(wǎng)電壓。這假設(shè)電感電流iL的變化對(duì)電網(wǎng)電壓Vg沒(méi)有影響。也就是說(shuō)，這是一個(gè)剛性網(wǎng)格系統(tǒng)。這里iL是主電感（逆變器側(cè)電感）中的電流。

圖3 LCL濾波控制器結(jié)構(gòu)

假設(shè)流過(guò)濾波電容器的電流iC與電感器電流iL相比可以忽略不計(jì)，假設(shè)電流環(huán)控制器設(shè)計(jì)成使得電網(wǎng)頻率下的電流環(huán)增益高的情況下使用反饋線性化方案。因此，與逆變器電感電流IL的動(dòng)態(tài)特性相比，VLine可以作為直流參數(shù)，即電流環(huán)交叉頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率。根據(jù)這個(gè)假設(shè)，并把電流控制器Gc添加到功率圖中。圖4表明，電流環(huán)功率級(jí)輸入是Ui，它控制電感器電流IL。當(dāng)輸入U(xiǎn)i由電流環(huán)路控制器控制時(shí)，使得電網(wǎng)頻率下的環(huán)路增益較高。

圖4中Ks是電流反饋增益。因此，控制環(huán)的環(huán)路增益?zhèn)鬟f函數(shù)是：φ()s=Gc(s)KsGp。

圖4 電流控制回路結(jié)構(gòu)

2.3 電網(wǎng)同步鎖相環(huán)節(jié)

逆變器采用鎖相環(huán)（PLL）使其輸出電流與電網(wǎng)電壓同步[7]。鎖相環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，該鎖相環(huán)由鑒相器（PD），PI控制器和電壓控制振蕩器（VCO）三個(gè)單元組成。當(dāng)鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時(shí)，PD的兩輸入信號(hào)頻率一致且有一定的相位差，如果它們的頻率不同，則PD會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)PI控制器最終作用在VCO的輸入端，VCO的振蕩頻率發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，輸出相位out與輸入信號(hào)相位之間保持固定的差值，此時(shí)環(huán)路處于穩(wěn)定狀態(tài)。

鑒相器（PD）由正交信號(hào)發(fā)生器（QSG）和Park變換器組成，其輸出可以用以下方程表示：

式中：Vin是為輸入信號(hào)基波的幅值；θin是為基波的相位；θout是為輸出相位。系統(tǒng)在穩(wěn)定時(shí)，輸出相位跟蹤輸入型號(hào)的相位，即偏差量為零。由式（1）通過(guò)Park變換，能夠求解出輸入和輸出的相位差，實(shí)現(xiàn)相位鑒別。

根據(jù)控制理論，鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

圖5 電網(wǎng)同步鎖相控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將該傳遞函數(shù)和二階系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)進(jìn)行比較：

圖6 鎖相環(huán)仿真波形

3 結(jié)論

光伏電源的效率和并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性尤為重要。根據(jù)常規(guī)雙直流變換的光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)，對(duì)MPPT、鎖相環(huán)節(jié)及LCL濾波控制等展開(kāi)研究，研究了MPPT的控制策略及流程，對(duì)LCL電路的結(jié)構(gòu)和控制原理進(jìn)行分析；對(duì)鎖相環(huán)節(jié)控制環(huán)節(jié)分析，并給出了傳遞函數(shù)，也仿真了波形。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，且具有較好的穩(wěn)定裕度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，可以為光伏逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。