光伏并網(wǎng)逆變器控制策略與實(shí)現(xiàn)

徐昂 母欣雨

摘要：隨著化石能源的日益衰竭和溫室效應(yīng)的愈發(fā)嚴(yán)重，各國政府都在努力改變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，積極推進(jìn)可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。其中光伏發(fā)電由于具有能量來源取之不竭、用之不盡，發(fā)電過程不會污染環(huán)境，系統(tǒng)適用范圍廣、運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)成為近年來人們研究的熱點(diǎn)。并網(wǎng)發(fā)電是太陽能規(guī)?；l(fā)電的必然方向，目前，光伏并網(wǎng)發(fā)電是世界光伏發(fā)電系統(tǒng)的主流應(yīng)用方式。逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。光伏并網(wǎng)逆變器作為將光伏電池直流電轉(zhuǎn)換為交流電并輸入電網(wǎng)這一能量轉(zhuǎn)換與控制過程中的核心設(shè)備，影響和決定著整個光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、可靠、高效、使用壽命和成本。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng);逆變器;控制策略

1光伏并網(wǎng)逆變器控制策略與實(shí)現(xiàn)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器需要對電流和功率進(jìn)行控制，逆變器輸出電流主要采用各種優(yōu)化的PWM控制策略，對給定的電流波形進(jìn)行跟蹤;功率的控制則是通過對太陽能電池最大功率點(diǎn)的跟蹤實(shí)現(xiàn)。光伏并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)控制策略是關(guān)系到系統(tǒng)并網(wǎng)效果的關(guān)鍵所在，對于具有前級DC-DC和后級DC-AC組成的具有兩級變換的光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，二者之間應(yīng)設(shè)置一個容量夠大的電容，在起到濾波、緩沖兩級之間能量變化的同時，也將前、后兩級的控制實(shí)現(xiàn)隔離和解耦，這就使我們可以針對兩級的控制分而論之。一般的，最大功率點(diǎn)跟蹤功能大都會放在前級DC-DC變換器的控制中去實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榍凹壐咏黀V光伏陣列，其控制的實(shí)時性更好，系統(tǒng)慣性更小，更容易方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的精確和迅速。而在后級的DC-AC環(huán)節(jié)，并網(wǎng)逆變器則需更多地考慮到網(wǎng)側(cè)電壓的影響，在保持前后級電壓相對穩(wěn)定的同時，還要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流控制，有時還要承擔(dān)參與電網(wǎng)無功功率的調(diào)節(jié)任務(wù)。

1.1并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是將太陽能電池板發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為正弦交流電，從而向電網(wǎng)供電的一個裝置，它實(shí)際上是一個有源逆變系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏逆變器的控制目標(biāo)為：控制逆變電路輸出的交流電流為穩(wěn)定的、高品質(zhì)的正弦波，且與電網(wǎng)電壓同頻、同相。因此選擇并網(wǎng)逆變器的輸出電流Iout作為被控制量，并網(wǎng)逆變工作方式下的等效電路和電壓電流矢量圖如圖3.12所示，其中Unet為電網(wǎng)電壓、Uout為并網(wǎng)逆變器交流側(cè)電壓，Iout為電感電流。因?yàn)椴⒕W(wǎng)逆變器的輸出濾波電感的存在會使逆變電路的交流側(cè)電壓與電網(wǎng)電壓之間存在相位差θ，即為了滿足輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位的關(guān)系，逆變輸出電壓要超前于電網(wǎng)電壓。

1.2SPWM波形的實(shí)現(xiàn)方式

這里我們談到的逆變器是電壓型逆變器，所以我們討論的也就是電壓型PWM逆變電路的控制方法。其控制方法目前主要分為計(jì)算法和調(diào)制法。所謂計(jì)算法，就是按照給定的輸出正弦波的頻率、幅值和每半個周期內(nèi)SPWM波形的脈沖數(shù)等參數(shù)，計(jì)算出SPWM波形中各個脈沖的寬度和間隔，并按照這個計(jì)算數(shù)據(jù)來對逆變電路中的開關(guān)器件進(jìn)行控制，便可得到所需的SPWM波形。

SPWM采樣方法主要有自然采樣法、不對稱規(guī)則采樣法、對稱規(guī)則采樣法，我們在這里使用對稱規(guī)則采樣法。如圖3-6所示，以等腰三角波的峰值為采樣點(diǎn)，從該點(diǎn)作垂線，交調(diào)制信號波形于D點(diǎn)，過D點(diǎn)作一水平線，交等腰三角波于B、C兩點(diǎn)，則B點(diǎn)對應(yīng)時刻為控制IGBT開通的時刻，C點(diǎn)對應(yīng)時刻為控制IGBT關(guān)斷的時刻，所以，在B、C兩點(diǎn)之間的時間段內(nèi)輸出脈沖波形，每個在波周期內(nèi)都遵循這個規(guī)律，便可產(chǎn)生SPWM波形。

有與DSP內(nèi)的通用定時器產(chǎn)生三角波波形時，計(jì)數(shù)從零開始到周期值再向下倒數(shù)至零，所以無法產(chǎn)生負(fù)半波。為了簡化DSP控制程序的編寫，我們可以將坐標(biāo)系整體平移，使其原點(diǎn)位于三角波波谷處，便可以輕松等效得到具有負(fù)半波的雙極性三角波。從圖17可見，三角波幅值會變成Ur，再令三角波周期為Tr，令其頻率為fr。假設(shè)正弦調(diào)制信號波形的頻率為fs，幅值為Us。則，正弦調(diào)制波函數(shù)為：

很明顯，載波比N的值越大，在單個正弦波周期內(nèi)進(jìn)行的采樣次數(shù)就越多，所產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波頻率就越高，SPWM波對正弦波形的等效效果也就越好。在本文中，我們?nèi)≥d波比N=60，取調(diào)制度M=0，8，又由于等腰三角形波的頻率fr是3kHz，所以可以算出正弦調(diào)制波的頻率fs應(yīng)該為工頻50Hz。從圖3-6中觀察可得：

再將Us=MUr/2帶入上式，不難得到：

其中，ts為采樣時刻，而ωt=，k=0、1、2、···、N-1。這樣，可以將采樣時刻的數(shù)值Ton制成數(shù)據(jù)表存儲在DSP芯片中，用查表的方式代替計(jì)算，以提高程序效率。

Ton對應(yīng)的是EV中CMPR1的值，而Tr對應(yīng)的是2T1PR，所以將它們帶入上面的式子可以得出：

這是三相波形中A相SPWM控制方法，對于本文所研究的B相和C相的控制，只需在A相的基礎(chǔ)上分別旋轉(zhuǎn)120°和240°即可。

參考文獻(xiàn)

[1]廖志凌，張豪，陳兆嶺.共地型五電平單相非隔離光伏并網(wǎng)逆變器[J/OL].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)：1-14

臨沂大學(xué) 276000