基于Matlab的離網(wǎng)光伏單相全橋逆變器控制策略

安聰慧　郭英軍　孫鶴旭　孔洪洪

摘 要：為了解決離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)為負(fù)載供電時(shí)逆變器輸出電壓存在諧波畸變率高的問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的逆變器控制策略。首先，根據(jù)離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建立了單相全橋逆變器的數(shù)學(xué)模型;其次，基于數(shù)學(xué)模型分析，在接線性負(fù)載和投切線性負(fù)載時(shí)對(duì)逆變器采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略，而在接非線性負(fù)載時(shí)引入輸出電流反饋量，提出了由電感電流內(nèi)環(huán)、輸出電壓外環(huán)、輸出電流負(fù)反饋組成的逆變器多環(huán)穩(wěn)壓控制策略;最后，基于Matlab進(jìn)行仿真，通過(guò)河北科技大學(xué)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，上述3種工況下的逆變器電壓諧波畸變率分別為1.8%，2.7%和2.3%，均滿足小于5%的要求。研究結(jié)果對(duì)于改善逆變器的性能，提高離網(wǎng)光伏發(fā)電效率，以及發(fā)展新能源發(fā)電具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù);離網(wǎng)光伏;逆變器;電壓電流雙閉環(huán)控制;多環(huán)穩(wěn)壓控制

中圖分類號(hào)：TM615?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： In order to solve the problem that the output voltage of the inverter has high harmonic distortion rate when the off-grid photovoltaic system supplies power for the load， an improved inverter control strategy is proposed. Firstly， a mathematical model of a single-phase full-bridge inverter is established according to the structure of the off-grid photovoltaic power generation system. Secondly， based on the mathematical model analysis， the inverter uses a voltage-current double closed-loop control strategy for the wiring load; the output current feedback amount is introduced when the nonlinear load is connected， and the multi-loop voltage regulation control strategy of the inverter consisting of the inductor current inner loop， the output voltage outer loop and the output current negative feedback is proposed. Finally， simulation is conducted based on Matlab， experimental verification is conducted with the ebei University of Science and Technology DC microgrid system， and the experimental results and simulation results are compared and analyzed. The results show that under the above three conditions， the inverter voltage and harmonic distortion rates are 1.8%， 2.7%， and 2.3%， respectively， meeting the requirement of less than 5%. This paper has research value for improving the performance of inverters and improving the efficiency of photovoltaic power generation and the development of new energy power generation.

Keywords：power electronics; off-grid photovoltaic; inverter; voltage and current dual-loop control; polycyclic regulator control

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，化石能源日漸枯竭，發(fā)展可再生能源迫在眉睫。太陽(yáng)能取之不盡用之不竭，清潔環(huán)保，其快速發(fā)展是大勢(shì)所趨。歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心（iont Research Centre）預(yù)測(cè)，到2050年光伏發(fā)電比例將超過(guò)1/3。因此，隨著光伏發(fā)電的發(fā)展種類不斷增多，光伏負(fù)載對(duì)電能的要求將急劇提高[1]。提高光伏逆變器的性能是發(fā)展光伏發(fā)電的首要問(wèn)題，而其中最重要的指標(biāo)之一是輸出電壓波形畸變率。通過(guò)采用合理的控制策略，能夠比較有效地減小輸出電壓波形畸變率。PI控制[2-4]結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、理論成熟、應(yīng)用最普遍，但是動(dòng)態(tài)響應(yīng)一般，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦參考信號(hào)的無(wú)靜差調(diào)節(jié)，不能較好地對(duì)非線性負(fù)載擾動(dòng)進(jìn)行控制。若在該控制中的電壓環(huán)內(nèi)增加電流內(nèi)環(huán)，就能使動(dòng)態(tài)性能得到明顯提高，并迅速消除負(fù)載擾動(dòng)影響，因此研究人員提出了雙閉環(huán)控制方法[5-6]。該控制方法擁有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，但若發(fā)生非線性負(fù)載擾動(dòng)，電流內(nèi)環(huán)必須能夠很快響應(yīng)，利用數(shù)字控制方式達(dá)到理想的響應(yīng)速度有一定難度。無(wú)差拍控制[7-9]動(dòng)態(tài)響應(yīng)極其迅速，對(duì)給定值可以很好地進(jìn)行追蹤，但是要求高精度的數(shù)學(xué)模型，并且當(dāng)實(shí)際情況和數(shù)學(xué)模型存在差別時(shí)，系統(tǒng)極有可能不穩(wěn)定。重復(fù)控制[10-11]利用擾動(dòng)的“重復(fù)性”，根據(jù)“記憶”擾動(dòng)的發(fā)生位置，就能夠完成對(duì)參考信號(hào)的無(wú)靜差穩(wěn)態(tài)跟蹤，唯一不足的是有一個(gè)周期的延時(shí)，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能難以達(dá)到預(yù)期的效果。為解決這一問(wèn)題，人們通過(guò)和雙閉環(huán)PI控制相結(jié)合的方法提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度?，F(xiàn)在，智能控制也在不斷發(fā)展：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制不依賴被控對(duì)象，自我適應(yīng)和學(xué)習(xí)能力很強(qiáng)[12]，比較適用于對(duì)不確定性或非線性的被控對(duì)象的研究;模糊控制不依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，自適應(yīng)性比較強(qiáng)[13]。但是智能控制理論在逆變器方面的應(yīng)用還不是很成熟，仍然需要進(jìn)一步的完善。

本文基于光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)單相全橋離網(wǎng)光伏逆變器采用雙閉環(huán)PI控制策略，分別研究其在投切線性負(fù)載和投切非線性負(fù)載時(shí)的性質(zhì)，并針對(duì)其在投切非線性負(fù)載時(shí)輸出電壓諧波畸變率高且不滿足要求[14-15]的情況，加入輸出電流反饋量，形成了多環(huán)穩(wěn)壓控制策略，該控制策略有效減小了投切非線性負(fù)載時(shí)的輸出電壓諧波含量，提高了逆變器的帶載能力。

1 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

本文采用的離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池陣列、DC/DC變換電路、儲(chǔ)能電池以及離網(wǎng)逆變器組成，見(jiàn)圖1，采用單相全橋式離網(wǎng)光伏逆變器，見(jiàn)圖2。

本文的離網(wǎng)光伏逆變器采用單極性倍頻SPWM調(diào)制方式，相對(duì)于其他調(diào)制方式其輸出電壓紋波頻率翻倍，諧波性能更好，如圖4所示。

2 逆變器控制策略

逆變器性能的好壞直接決定了輸出電能的質(zhì)量，離網(wǎng)逆變器可分為電壓型逆變器和電流型逆變器，電壓型逆變器由于性能優(yōu)越被廣泛采用，分為全橋逆變器和半橋逆變器。雖然半橋逆變電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元件少，但全橋逆變電路開(kāi)關(guān)管所承受的電流減小一半，且變換容量比較大，因此本文采用單相全橋離網(wǎng)逆變器，控制目標(biāo)是提高輸出電壓的穩(wěn)態(tài)以及動(dòng)態(tài)性能。穩(wěn)態(tài)性能指輸出電壓穩(wěn)態(tài)精度和帶負(fù)載能力;動(dòng)態(tài)性能指負(fù)載突變時(shí)逆變器輸出電能動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力[16]。逆變器的控制方法包括：開(kāi)環(huán)控制、單環(huán)控制、雙閉環(huán)控制和多環(huán)控制。最早用于逆變器控制的是開(kāi)環(huán)控制，它不能滿足逆變器對(duì)穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能要求;單環(huán)控制改善了開(kāi)環(huán)控制的部分問(wèn)題，但當(dāng)負(fù)載變動(dòng)頻繁時(shí)，動(dòng)態(tài)性能太差;雙閉環(huán)控制加入了輸出反饋信號(hào)，可以達(dá)到很好地控制效果，因此本系統(tǒng)逆變器選擇雙閉環(huán)控制，控制結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

該控制是將基準(zhǔn)正弦波信號(hào)[WTBX]Uref與逆變器輸出電壓反饋信號(hào)Uo相比較構(gòu)成輸出電壓外環(huán)，將產(chǎn)生的誤差信號(hào)送給PI控制器，得到電流參考信號(hào)Iref，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能。電感電流是負(fù)載電路和電容電路的電流總和，在一定程度上能反映出逆變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。電流內(nèi)環(huán)采用電感電流與參考電流信號(hào)相比較，產(chǎn)生的誤差信號(hào)經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后給PWM模塊[17]。

由于電壓環(huán)和電流環(huán)均相當(dāng)于采用了比例環(huán)節(jié)，不可避免地造成系統(tǒng)靜差，影響離網(wǎng)逆變器穩(wěn)態(tài)精度，尤其在投切非線性負(fù)載時(shí)輸出波形質(zhì)量差。為了降低輸出電壓畸變，提出了多環(huán)穩(wěn)壓控制，多環(huán)穩(wěn)壓控制結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，適合作反饋量的有輸出電壓、電流、電感電流。輸出電壓以及電感電流已是反饋量，因此不適合再次引入。輸出電流中含有低次諧波，高次諧波成分也相對(duì)較少，方便采樣，所以選用輸出電流[WTBX]Io作為反饋量。通過(guò)在原有控制基礎(chǔ)上加入輸出電流Io反饋量，形成電感電流IL內(nèi)環(huán)，輸出電壓Uo外環(huán)，輸出電流Io負(fù)反饋的多環(huán)穩(wěn)壓控制。輸出電流Io反饋量包括由于負(fù)荷變化引起的低次諧波，可在負(fù)荷改變時(shí)發(fā)出信號(hào)，使系統(tǒng)及時(shí)作出響應(yīng)，有效減小了逆變器輸出諧波含量。

3 仿真分析

3.1 線性負(fù)載仿真

如圖7所示為帶線性負(fù)載時(shí)離網(wǎng)光伏逆變器仿真模型。模型仿真時(shí)間為0.5 s，仿真算法為ode23tb，基于Matlab仿真軟件，搭建線性負(fù)載時(shí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

經(jīng)過(guò)仿真，得到了線性負(fù)載時(shí)逆變器輸出電壓和電流波形如圖8、圖9所示。

圖10為輸出電壓諧波畸變率[WTBX]（TD）。通過(guò)仿真結(jié)果可知，輸出電壓峰值為310.7 V，諧波含量為1.8%。離網(wǎng)光伏逆變器帶線性負(fù)載時(shí)，輸出的電壓、頻率，及波形諧波含量（≤5%）均滿足要求。

投切負(fù)載時(shí)，保持仿真參數(shù)不變，加入相同參數(shù)的負(fù)載Load1。負(fù)載Load1在0.1 s時(shí)接入，到0.3 s時(shí)斷開(kāi)。分析從投入負(fù)載，再到切除增加負(fù)載時(shí)的變化情況。如圖11所示為投切線性負(fù)載時(shí)離網(wǎng)逆變器仿真模型。

如圖12、圖13所示，分別為投切線性負(fù)載時(shí)的輸出電壓和電流波形，圖14為輸出電壓諧波畸變率（TD）。由仿真結(jié)果可知，在0.1 s時(shí)投入負(fù)載，輸出電流從增加，在0.3 s時(shí)切除負(fù)載，電流減小。輸出電壓峰值為310.6 V，諧波含量為2.7%。離網(wǎng)逆變器投切線性負(fù)載時(shí)，輸出的電壓、頻率，及波形諧波含量也滿足要求。

因此，在帶線性負(fù)載情況下，電壓電流雙閉環(huán)控制能使離網(wǎng)逆變器輸出的電能質(zhì)量較好。

3.2 非線性負(fù)載

3.2.1 雙閉環(huán)控制

如圖15所示為投切非線性負(fù)載時(shí)離網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)PI仿真模型。保持仿真參數(shù)不變，接入非線性負(fù)載模塊Rectifier。線性負(fù)載Load1在0.1 s時(shí)接入，此后一直接入系統(tǒng);非線性負(fù)載在0.1 s時(shí)接入，到0.3 s時(shí)斷開(kāi)。電容[WTBX]C1=1×e-5 F，負(fù)載Load2與負(fù)載Load，Load1設(shè)置參數(shù)一致。

如圖16、圖17所示，分別為投切非線性負(fù)載時(shí)逆變器輸出電壓波形和電流波形。圖18為輸出電壓諧波畸變率（TD）。由仿真結(jié)果可知，在0.1 s內(nèi)逆變器僅帶線性負(fù)載，輸出電流維持在6.4 A，波形良好;在0.1 s時(shí)同時(shí)投入線性負(fù)載和非線性負(fù)載，輸出電流從6.4 A增加到19.2 A，輸出電流波形出現(xiàn)明顯畸變;在0.3 s時(shí)將投入的非線性負(fù)載切除，輸出電流又減小到12.8 A，輸出電流波形沒(méi)有出現(xiàn)明顯畸變。輸出電壓峰值為311.8 V，諧波含量為7.1%。離網(wǎng)逆變器投切非線性負(fù)載時(shí)，輸出電壓波形諧波含量不滿足小于5%的要求。

綜上可知，基于雙閉環(huán)PI穩(wěn)壓控制的離網(wǎng)光伏逆變器有待優(yōu)化，因此筆者提出多環(huán)穩(wěn)壓控制。

3.2.2 多環(huán)穩(wěn)壓控制

離網(wǎng)逆變器的電壓電流雙閉環(huán)PI控制策略具有一定的帶寬限制，導(dǎo)致其抑制諧波能力不足，當(dāng)有非線性負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，該方法對(duì)逆變器的補(bǔ)償力度不夠。為了降低電壓輸出畸變，在原有基礎(chǔ)上加入輸出電流反饋量，形成電感電流內(nèi)環(huán)，輸出電壓外環(huán)，輸出電流負(fù)反饋的多環(huán)穩(wěn)壓控制。輸出電流反饋量包括由于負(fù)荷變化引起的低次諧波，能在負(fù)荷改變時(shí)發(fā)出信號(hào)，使系統(tǒng)及時(shí)作出響應(yīng)，有效減少逆變器輸出諧波含量。

如圖19所示為投切非線性負(fù)載時(shí)離網(wǎng)逆變器多環(huán)穩(wěn)壓控制仿真模型。保持仿真參數(shù)不變，輸出電流增益[WTBX]K1=-0.5，電感電流增益K2=0.52。線性負(fù)載Load1在0.1 s時(shí)接入，此后一直在系統(tǒng)中運(yùn)行;非線性負(fù)載Rectifier在0.1 s時(shí)接入，0.3 s時(shí)斷開(kāi)。

圖20、圖21分別為投切非線性負(fù)載時(shí)逆變器輸出電壓波形和電流波形，圖22為輸出電壓諧波畸變率（TD）。由仿真結(jié)果可知，多環(huán)穩(wěn)壓控制與雙閉環(huán)PI控制相比，在投切非線性負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓波形諧波含量大大減小，輸出電壓、電流波形未出現(xiàn)明顯畸變[18]。輸出電壓為310.9 V，諧波畸變率為2.3%。離網(wǎng)逆變器帶非線性負(fù)載時(shí)，加入輸出電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)的多環(huán)穩(wěn)壓控制策略能使輸出電能質(zhì)量得到改善，提高了離網(wǎng)光伏逆變器的帶載能力。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

2019年5月25日10時(shí)6分，采用河北科技大學(xué)直流微電網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)（見(jiàn)圖23）對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)系統(tǒng)包括：1）直流母線;2）配電線路;3）數(shù)據(jù)總線（所有設(shè)備通過(guò)RS485通訊總線與Faceview監(jiān)控系統(tǒng)連接）。

由于篇幅有限，僅截取雙閉環(huán)PI控制時(shí)投切非線性負(fù)載時(shí)的輸出電壓、電流、諧波畸變率的圖形，如圖24所示，仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

由圖24和表2可知，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果可以很好的對(duì)應(yīng)，由于測(cè)量設(shè)備條件等因素的影響，造成試驗(yàn)結(jié)果有一定的誤差。仿真模型較理想，但由于存在一定的延時(shí)，也會(huì)造成一定的誤差。但誤差在可以接受的范圍內(nèi)，表明了仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均可以有效地反映逆變器的運(yùn)行特性。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中采用的單相全橋式離網(wǎng)光伏逆變器進(jìn)行研究，基于電壓電流雙閉環(huán)控制策略建立了逆變器模型，從帶載能力方面分析了其性能，分別得到了帶線性負(fù)載及非線性負(fù)載時(shí)逆變器輸出電壓、輸出電流及輸出電壓畸變率的仿真波形。由此可知該控制策略在逆變器帶線性負(fù)載時(shí)表現(xiàn)出良好的性能，但在投切非線性負(fù)載時(shí)輸出的電壓諧波含量不滿足要求。因此提出多環(huán)穩(wěn)壓控制策略，運(yùn)用仿真證明了此方法能夠有效改善逆變器接非線性負(fù)載時(shí)的輸出電能質(zhì)量，提高逆變器的帶載能力。通過(guò)在河北科技大學(xué)直流微電網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，將所得結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了仿真結(jié)果的正確性和控制策略的有效性。

利用本文的控制策略，雖然在降低單相全橋離網(wǎng)光伏逆變器輸出電壓諧波畸變率方面取得了一定成果，但是還有更高的提升空間。因此，進(jìn)一步研究降低逆變器輸出電壓諧波畸變率的控制策略是今后的努力方向。

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