基于MATLAB的光伏逆變器電壓電流雙閉環(huán)控制模型搭建與仿真

廣西大學(xué)行健文理學(xué)院 陳 瑩 謝 聰 廣西韋福信息科技有限公司 陳 凱 廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 寧 可

在國家大力推動下，近年來光伏電池應(yīng)用越來越廣泛。光伏電池輸出電能為直流電，然而我國絕大部分供電網(wǎng)絡(luò)以交流供電為主，光伏電池需通過光伏逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能后才能接入電網(wǎng)中。并且電網(wǎng)電壓是存在波動的，若光伏逆變器無法快速準確跟蹤電網(wǎng)電壓，會導(dǎo)致運行過程中暫態(tài)動蕩與沖擊，可能產(chǎn)生環(huán)流，因此光伏逆變器的設(shè)計尤為重要。本文根據(jù)光伏逆變器的輸出特性引入電壓電流雙閉環(huán)控制技術(shù)，以提高光伏逆變器輸出的準確性和快速性，使逆變器更精準跟蹤參考電壓變化，并在matlab 軟件中搭建模型進行仿真測試。

1 系統(tǒng)模型

本文采用SPWM 技術(shù)控制逆變器輸出模式，SPWM 技術(shù)是將參考電壓波形（又稱調(diào)制波）與等腰三角波（又稱載波）進行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制對應(yīng)的IGBT 管按一定順序?qū)ɑ蛘邤嚅_，來實現(xiàn)直流轉(zhuǎn)化為交流。光伏逆變器結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中m1、m2為電壓電流檢測模塊。

通常光伏電池模塊會與蓄電池并聯(lián)接入光伏逆變器直流側(cè)，蓄電池通過DC-DC 變換技術(shù)將直流側(cè)輸入電壓鉗位在固定電壓值[1]。故在圖1系統(tǒng)模型中光伏逆變器的直流輸入用直流電源DC 表示。設(shè)光伏逆變器需接入電網(wǎng)電源為相電壓220V、50Hz的三相交流電網(wǎng)中，并網(wǎng)條件是電壓值、頻率和相位相等。因此，以電壓參考峰值為311V、參考頻率為50Hz 的電壓波形作為調(diào)制波。再與頻率為10000Hz 的三角波進行對比，生成控制規(guī)律信號PWM2。將PWM2作用在三相全控逆變電路上，使逆變器跟蹤參考電壓。

圖1 帶濾波的逆變器結(jié)構(gòu)圖

此時，逆變器輸出實際上是按特定規(guī)律變化的矩形波，需要經(jīng)過濾波模塊后才可接入電網(wǎng)。在逆變器輸出端接入常見的LC 濾波電路，經(jīng)過LC 濾波電路后逆變器A 相輸出波形如圖2所示，可看出逆變器輸出波形在跟蹤參考電壓信號過程中存在很大誤差。這是因為濾波環(huán)節(jié)存在一定阻抗，影響了逆變器輸出，導(dǎo)致無法準確跟蹤參考信號。

圖2 經(jīng)過LC 濾波電路后的A 相輸出波形

2 電壓電流雙閉環(huán)控制電路

為了改善逆變器輸出跟蹤信號的能力，本文引入雙閉環(huán)控制方法對光伏逆變器進行改進。通過檢測濾波后的輸出波形與參考電壓比較獲得誤差，再通過誤差大小與變化情況得到新的控制律來調(diào)控功率開關(guān)管，從而解決濾波電路對逆變器輸出的影響，同時也能解決實際應(yīng)用時電網(wǎng)電壓波動產(chǎn)生的誤差。根據(jù)圖1可求出逆變器的數(shù)學(xué)模型：

其中，逆變器輸出相電壓分別為uA0、uB0、uC0；濾波后的電壓分別為uA、uB、uC；流經(jīng)濾波電感的電流分別為iLA、iLB、iLC；濾波電感感抗為L、等效內(nèi)阻為rL；濾波電容的電容值為C，其等效內(nèi)阻很小可忽略不計；Z1為負載阻抗。

若以三相電源的電流電壓初始狀態(tài)作為坐標(biāo)系的參考方向，相交δ 會隨時間變化而變化，計算十分復(fù)雜，故本文使用dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系[2]，即將三相的坐標(biāo)投影到兩軸坐標(biāo)系中，再將其看成是一個隨著三相電壓或電流的角頻率ω 的增大而不斷旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系。令轉(zhuǎn)換矩陣T 為式3，坐標(biāo)變換方程為式4。根據(jù)式4對式1和式2進行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化并化簡后得到式5、式6，對其分解并進行拉式變換，得逆變器輸出各參數(shù)在dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的關(guān)系方程式7。根據(jù)式7畫出逆變器輸出各參數(shù)在dq 坐標(biāo)系下的等效系統(tǒng)框圖（圖5）。

由圖3可以看出，經(jīng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后，被控量Ud(s)和Uq(s)都受到來自另一個軸的信號干擾，相互存在耦合，影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)。可根據(jù)另一個軸的干擾信號，通過加入前饋補償控制來解開耦合、從而抵消干擾。對于本系統(tǒng)來說，電壓前饋控制設(shè)計較為復(fù)雜，故本文只做電流前饋控制解耦。引入電壓電流雙閉環(huán)控制技術(shù)，電壓環(huán)采用PI 調(diào)節(jié)器、電流環(huán)采用P 調(diào)節(jié)器。電壓電流雙閉環(huán)控制示意圖如圖4。

圖4 電壓電流雙閉環(huán)控制示意圖

3 電壓電流雙閉環(huán)控制模塊與仿真

在MATLAB/simulink 中搭建abc 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)dq 坐標(biāo)系模型VPark，以電壓坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為例，如圖5所示。同理將濾波后的三相電流進行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到反饋信號ud、uq、id、iq，將其接入電壓電流雙閉環(huán)模型中與給定信號進行比較，再經(jīng)過調(diào)節(jié)器和前饋補償，輸出電流給定值和，再進行P 調(diào)節(jié)。

圖5 VPark 轉(zhuǎn)換模塊

電壓電流雙閉環(huán)模型如圖6所示。其中，Vd＊1和Vq＊1為經(jīng)過dq 坐標(biāo)變換后的給定電壓波形，PI調(diào)節(jié)器PI1比例系數(shù)為1，積分時間常數(shù)為30；P 調(diào)節(jié)器PI2比例系數(shù)為8，積分時間常數(shù)為無窮大。

圖6 加入雙閉環(huán)控制后的逆變器A 相輸出電壓波形

對系統(tǒng)進行仿真，令系統(tǒng)給定電壓初始狀態(tài)為電壓幅值311V、頻率50Hz，當(dāng)t=0.3s 時給定電壓幅值突變?yōu)?50V，當(dāng)t=0.5s 時給定電壓頻率突變?yōu)?5Hz（圖7）。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過電壓電流雙閉環(huán)控制后，逆變器輸出電壓波形能夠準確跟蹤給定信號，并且當(dāng)給定信號發(fā)生波動時能夠快速跟隨給定信號變化。對比圖2可知，加入雙閉環(huán)控制后系統(tǒng)的準確性和快速性遠遠超過未加入閉環(huán)調(diào)節(jié)前，實際輸出電壓與給定電壓之間的誤差減小。當(dāng)給定電壓發(fā)生波動時可快速跟蹤信號波動，大大提高了系統(tǒng)性能。

圖7 電壓電流雙閉環(huán)跟蹤控制模型