LCL 型三相光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

宋 璐，衛(wèi)亞博，馮艷平

（1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712046；2.平頂山學(xué)院，河南平頂山 467000；3.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450121）

太陽能作為可再生能源之一，具有無污染、低成本和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，是最常見的一種可持續(xù)發(fā)展的新能源[1]。為了更好地實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行，需要將系統(tǒng)所得到的直流電轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)的三相交流電，其中逆變器就是必須配置的轉(zhuǎn)換設(shè)備。為此，設(shè)計(jì)了一種帶LCL 濾波的兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)，可通過第一級(jí)DC/DC 升壓電路將光伏陣列的輸出電壓升高，然后經(jīng)過第二級(jí)逆變器實(shí)現(xiàn)直流對(duì)并網(wǎng)交流的轉(zhuǎn)換，并采用LCL 濾波器對(duì)高次諧波進(jìn)行濾波，最后以Simulink 為平臺(tái)，進(jìn)行了相應(yīng)控制系統(tǒng)的仿真。

1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理

三相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括光伏陣列、DC/DC 直流變換器、MPPT 控制器、DC/AC 逆變器、LCL 濾波器、三相鎖相環(huán)、PQ 逆變控制器和三相電網(wǎng)。其中，兩級(jí)式控制系統(tǒng)第一級(jí)為DC/DC直流升壓電路，第二級(jí)為DC/AC逆變器[2]。

圖1 三相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

第一級(jí)的主要作用是使光伏陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的最大利用，并為后級(jí)提供合適且穩(wěn)定的直流電壓。為了保證光伏陣列的輸出電壓范圍能夠滿足第二級(jí)逆變器的正常工作，一般情況下都會(huì)采用DC/DC 直流升壓電路（Boost斬波電路）為后級(jí)提供合適的電壓[3]。但由于光伏陣列所處的外界環(huán)境變化較大（如光照強(qiáng)度和溫度），使其輸出功率非線性特性明顯，在第一級(jí)中需要使用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT），來使系統(tǒng)能夠獲得最大功率的輸出。Boost 斬波電路的結(jié)構(gòu)已經(jīng)較為成熟，可以參考文獻(xiàn)[4]，這里不再贅述。

第二級(jí)的主要作用是通過各種控制策略將第一級(jí)輸入的直流電轉(zhuǎn)換成滿足并網(wǎng)需求的交流電，并在并入三相電網(wǎng)前通過LCL 濾波器過濾掉因采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)而產(chǎn)生的高次諧波。DC/AC 逆變器的主要作用是實(shí)現(xiàn)逆變過程和并網(wǎng)控制，由三相鎖相環(huán)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取三相電網(wǎng)電壓的同步相位信息，再由PQ 逆變控制器控制母線電壓，從而獲得滿足并網(wǎng)需求的三相交流電[5]。三相LCL 型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，其中Udc為第一級(jí)Boost 斬波電路輸出的直流電壓，C1為直流母線上的濾波電容（可以緩解前后級(jí)能量突變），S1～S6為全橋逆變電路中的6 個(gè)功率開關(guān)管，i1a、i1b和i1c為逆變器輸出側(cè)流過電感L1的電流，i2a、i2b和i2c為并網(wǎng)交流電輸入側(cè)流過電感L2的電流，ua、ub和uc分別為各橋路輸出相電壓，L1為逆變器輸出側(cè)電感，L2為并網(wǎng)交流電輸入側(cè)電感，C為LCL 濾波器高頻濾波電容，ica、icb和icc為流過濾波電容的電流，O點(diǎn)為并網(wǎng)交流電中性點(diǎn)，O′為LCL 濾波器濾波電容的中性點(diǎn)。

圖2 三相LCL型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 光伏并網(wǎng)控制策略

2.1 MPPT控制策略

由于光伏陣列所處環(huán)境中的光照強(qiáng)度和溫度的變化，使其輸出的電壓和輸出的功率都會(huì)隨之改變，從而直接影響到光伏陣列的并網(wǎng)效率。所以為了極大地提高電池的利用率，在并網(wǎng)之前需要通過最大功率點(diǎn)跟蹤技（MPPT），來有效地確保系統(tǒng)能夠正常工作在所處環(huán)境下的最大功率點(diǎn)（MPP）處[6-11]。

經(jīng)典的MPPT 策略有固定電壓法（CVT）、擾動(dòng)觀察法（P&Q）和電導(dǎo)增量法（INC）[12-15]。固定電壓法是一種開環(huán)控制方法，控制速度快，但未考慮到溫度的影響，所以控制效果較差，不適用于溫差變化較大的場合[16]；擾動(dòng)觀察法結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)，但是精度不高，速度較慢，在最大功率點(diǎn)處容易產(chǎn)生功率震蕩，所以導(dǎo)致效率較低；電導(dǎo)增量法是通過改變光伏陣列的輸出電流和輸出電壓的變化率來實(shí)現(xiàn)對(duì)MPP 的跟蹤，具有速度快、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)[17-18]，所以這里選擇電導(dǎo)增量法作為系統(tǒng)的MPPT 控制策略。

2.2 逆變器并網(wǎng)控制策略

逆變器并網(wǎng)控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，首先通過PLL 鎖相環(huán)得到與d 軸同相位的三相電網(wǎng)相位信號(hào)ω，再結(jié)合ω經(jīng)過Park 變換分別將三相靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)側(cè)電流i2a、i2b、i2c和流過濾波電容的電流ica、icb、icc，變換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流分量igd、igq和icd、icq；然后通過外環(huán)控制器得到外環(huán)控制信號(hào)idref和iqref，這兩個(gè)外環(huán)控制信號(hào)同ω和Park 變換后的直流分量一起共同作為逆變器內(nèi)環(huán)控制器的輸入信號(hào)；各個(gè)輸入信號(hào)在逆變器內(nèi)環(huán)控制器內(nèi)部再分別通過PI 控制器和三相PWM 調(diào)制器，最終生成PWM 脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將其送入到DC/AC 并網(wǎng)逆變器從而將第一級(jí)Boost 斬波電路輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榕c三相電網(wǎng)同相位同幅度的三相交流電。

圖3 逆變器并網(wǎng)控制器結(jié)構(gòu)圖

3 仿真結(jié)果分析

在LCL 三相光伏并網(wǎng)逆變器控制仿真系統(tǒng)中，采用SunPower SPR-305 作為太陽能光伏組件，則在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（太陽能輻射通量為10 000 W/m2，溫度為25 ℃），光伏陣列各個(gè)參數(shù)分別如下：最大功率305.226 W，開路電壓64.2 V，短路電流5.96 A，最大功率點(diǎn)電壓54.7 V，最大功率點(diǎn)電流5.58 A。若光伏發(fā)電系統(tǒng)額定容量為100 kW，需要328 塊光伏板，設(shè)置光伏板并聯(lián)數(shù)量為33 塊，串聯(lián)數(shù)量為10 組，則實(shí)際裝機(jī)容量為100.725 kW。

3.1 光伏陣列仿真結(jié)果

在仿真系統(tǒng)中將初始輻射通量設(shè)置為10 000 W/m2，得到的光伏陣列輸出特性曲線如圖4 所示。在圖4中，分別設(shè)置了3 種不同的溫度：0 ℃、25 ℃和50 ℃，得到了不同溫度條件下的P-U輸出特性曲線如圖4（a）所示，I-U輸出特性曲線如圖4（b）所示。

圖4 光伏陣列輸出特性曲線

3.2 輸出功率

將初始輻射通量和溫度分別設(shè)置為10 000 W/m2和25 ℃，在0.4 s 時(shí)，將輻射通量設(shè)置為600 W/m2，在0.8 s 時(shí)，將溫度設(shè)置為45 ℃，三相光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)輸出功率仿真結(jié)果如圖5所示，其中圖5（a）為光伏陣列輸出功率波形圖，圖5（b）為系統(tǒng)輸出有功功率波形圖，可以看出逆變器控制系統(tǒng)在0.1 s之內(nèi)即可達(dá)到功率的穩(wěn)定輸出，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)最大功率點(diǎn)的追蹤，輸出功率和光伏發(fā)電系統(tǒng)額定容量保持一致。

圖5 輸出功率仿真結(jié)果

3.3 三相并網(wǎng)電壓和電流

設(shè)置直流母線電壓為700 V，電網(wǎng)側(cè)三相交流電壓為380 V，頻率為50 Hz，則并網(wǎng)電壓和電流仿真結(jié)果如圖6 所示。其中圖6（a）為三相并網(wǎng)電流波形圖，圖6（b）為A 相并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形圖，可以看出并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流能夠保持同相位，無論并網(wǎng)電流隨著環(huán)境的變化而如何變化，并網(wǎng)電壓始終保持在設(shè)定值。

圖6 三相并網(wǎng)電壓和電流仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種LCL 兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)，其中第一級(jí)為DC/DC 直流升壓電路（Boost斬波電路），為系統(tǒng)提供合適的電壓，并在MPPT 控制策略下保證系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)處；第二級(jí)為DC/AC 逆變器，主要作用是實(shí)現(xiàn)直流量到并網(wǎng)交流量的轉(zhuǎn)變和并網(wǎng)逆變控制。并且基于Simulink 設(shè)計(jì)了兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)逆變器仿真系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，輸出的三相電壓和電流始終同相位，能夠達(dá)到并網(wǎng)目標(biāo)，仿真效果良好。