一種單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器控制策略

摘要：分析了單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略；在傳統(tǒng)雙PI控制基礎(chǔ)上加入電網(wǎng)電壓前饋及母線紋波補(bǔ)償以降低并網(wǎng)電流諧波含量；分析了電壓外環(huán)采用比例諧振(PR)調(diào)節(jié)器的控制方法具有良好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能。與傳統(tǒng)前后級(jí)分開控制不同，根據(jù)前后級(jí)功率平衡的原理，提出用前級(jí)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)和母線控制器產(chǎn)生后級(jí)逆變參考電流的控制思路。既能穩(wěn)住母線電壓，又能降低母線電壓紋波對(duì)并網(wǎng)波形的影響。
關(guān)鍵詞：逆變器；光伏并網(wǎng)；兩級(jí)式

1 引言
    單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器與單級(jí)式相比，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但前、后級(jí)可分開控制，控制方法較簡(jiǎn)單。而且前級(jí)DC／DC變換器選用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可滿足不同的太陽(yáng)能電池輸入電壓，應(yīng)用起來比較靈活。對(duì)于單相兩級(jí)式光伏逆變器，除了要實(shí)現(xiàn)MPPT和并網(wǎng)逆變外，還必須將連接前后級(jí)的母線電容電壓控制在一定范圍內(nèi)。電壓太低滿足不了并網(wǎng)逆變要求，電壓高則母線電容耐壓也高，體積大。若控制不當(dāng)，母線電容將一直升高到高出電容耐壓，導(dǎo)致“母線電容崩潰”。

2 雙PI環(huán)控制
    單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器通常前級(jí)采用MPPT控制，后級(jí)采用電流內(nèi)環(huán)、母線電壓外環(huán)的雙環(huán)PI環(huán)控制，其典型控制簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中電流內(nèi)環(huán)控制框圖如圖2所示。

    并網(wǎng)電流ig與參考電流igref的誤差經(jīng)調(diào)節(jié)后與高頻三角載波交截，得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變橋，實(shí)現(xiàn)電流跟蹤。GiPI(s)為PI環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)；KPWM／(0．5sTs+1)為采用PWM控制的逆變橋傳遞函數(shù)，可等效為慣性環(huán)節(jié)，KPWM為PWM及主電路增益；1／(sTs+1)為采樣延時(shí)和PWM控制滯后的小慣性環(huán)節(jié)。
    將采樣延時(shí)環(huán)節(jié)和PWM裝置延時(shí)環(huán)節(jié)合并，由于開關(guān)頻率較高，合并后s2的系數(shù)遠(yuǎn)小于s的系數(shù)，可以將該項(xiàng)忽略，簡(jiǎn)化為一階慣性環(huán)節(jié)：1／(1．5sTs+1)。
    等效電壓外環(huán)控制框圖如圖3所示，Udc為直流母線電壓；GuPI(s)為PI環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；1／(Cs)為濾波電容的傳遞函數(shù)；Gi(s)為電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

    根據(jù)以上電流環(huán)的設(shè)計(jì)，可得簡(jiǎn)化等效閉環(huán)傳遞函數(shù)為：Gi(s)=1／(1+3sTs)；同樣將采樣延時(shí)和電流環(huán)傳遞函數(shù)合并等效為：1／(1+4s Ts)。

3 雙PI控制的補(bǔ)償和改進(jìn)
    單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和電流均為工頻正弦變量，其輸出有功功率表現(xiàn)為2倍工頻的正弦變量，這樣實(shí)際母線電容就有相同頻率的紋波電壓。因此母線電壓控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生的參考電流幅值就不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的直流變量，也含有2倍頻交變分量，電流基準(zhǔn)給定信號(hào)就不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，因此會(huì)導(dǎo)致實(shí)際并網(wǎng)電流波形THD升高。
    另一方面，市電電網(wǎng)電壓包含大量的低次和高次諧波，實(shí)際用電負(fù)荷的突變還會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓隨機(jī)波動(dòng)。電流環(huán)中沒有考慮到電網(wǎng)電壓ug對(duì)電流波形的影響。
    設(shè)igref與ig的誤差信號(hào)為ie，則ie=igref-ig，差分方程為：die／dt=digref／dt-dig／dt。若不考慮開關(guān)頻率諧波分量的影響，有：
    Lfdig／dt=uAB1-ug     (1)
    式中：Lf為輸出濾波電感；uAB1為橋臂輸出側(cè)基波分量。
    設(shè)ie接近零，可得die／dt=digref／dt-(uAB1-ug)／Lf=0。根據(jù)逆變器調(diào)制原理可得：
    uAB1=Udcum／Utri      (2)
    式中：um為逆變器正弦調(diào)制信號(hào)；Utri為三角載波幅值。
    整理可得：
    um=Lf(Utri／Uref)d[(Uref／Udc)igref]／dt+(Utri／Udc)ug        (3)
    (Uref／Udc)igref說明母線電壓的紋波影響并網(wǎng)電流，(Utri／Udc)ug說明電網(wǎng)電壓對(duì)電流控制也有影響。所以單純采用雙PI控制在實(shí)際電路中很難滿足并網(wǎng)逆變器THD<5％的要求。根據(jù)式(3)可知，若增加Udc／Uref乘以電網(wǎng)電壓作為前饋補(bǔ)償，就可消除電網(wǎng)電壓對(duì)并網(wǎng)電流的影響。

4 電壓外環(huán)PR調(diào)節(jié)
    單純采用雙PI控制時(shí)，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能，電壓環(huán)環(huán)寬一般都設(shè)為200～500 Hz，即使加入母線紋波補(bǔ)償，也無法完全抑制100 Hz紋波對(duì)并網(wǎng)電流的影響。若采用PR調(diào)節(jié)器作為電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器，則可很好地抑制母線紋波對(duì)并網(wǎng)電流的影響，同時(shí)可保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)系能，即有：
    Gc(s)=Kp+Kr(s2+ω2)／[s2+(ω／Q)s+ω2]    (4)

5 單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器控制策略
    一般單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器采用前后級(jí)分開控制的方法，當(dāng)系統(tǒng)功率隨著MPPT控制不斷變化時(shí)，首先體現(xiàn)為母線電容的電壓變化然后通過后級(jí)控制改變并網(wǎng)電流。
    下面提出一種新的系統(tǒng)控制策略，其核心思想是根據(jù)前級(jí)MPPT的功率先預(yù)置一個(gè)逆變的參考電流幅值，然后經(jīng)一個(gè)比例控制器確定最終的逆變參考電流。這個(gè)比例控制器是母線采樣電壓與參考電壓(一般380V)的比值。這樣當(dāng)前級(jí)MPPT調(diào)節(jié)功率變化時(shí)，可直接體現(xiàn)為后級(jí)參考電流的變化，并通過母線電壓的比例控制器將母線電壓穩(wěn)定在參考值附近。
    不考慮紋波，若母線電壓均值大于或小于參考值，則會(huì)相應(yīng)調(diào)高或降低逆變的參考電流，使母線電容進(jìn)行相應(yīng)的充放電，母線電壓保持在參考電壓附近，以保證前后級(jí)功率平衡，起到穩(wěn)壓作用。對(duì)于母線紋波，通過母線電壓控制器，不僅穩(wěn)住母線電壓，而且抑制了母線紋波對(duì)并網(wǎng)電流的影響，還使后級(jí)實(shí)現(xiàn)了單電流環(huán)控制，控制更簡(jiǎn)單。其控制原理如圖4所示。

6 Saber仿真驗(yàn)證
    在Saber中搭建如圖1的仿真模型，母線參考電壓380 V，系統(tǒng)工作在額定功率3 kW，前級(jí)采用導(dǎo)納增量法實(shí)現(xiàn)MPPT并升壓。
    Boost輸出電壓(母線電壓)一直穩(wěn)定在380V附近，采用雙PI控制方法時(shí)的波形如圖5a所示。由圖可見，母線電壓存在100 Hz的脈動(dòng)紋波；單純的雙PI控制逆變并網(wǎng)電流波形存在明顯畸變，THD=4．63％。當(dāng)系統(tǒng)功率變化時(shí)，0．45 s開始功率從3 kW變化到0．5 s時(shí)的1．9 kW，母線電壓和并網(wǎng)電流波形如圖5b所示?？梢?，母線電壓穩(wěn)定在380 V附近，有100 Hz的脈動(dòng)紋波。并網(wǎng)電流不是很理想，當(dāng)功率從3 kW變化到1．7 kW時(shí)，母線電壓有一個(gè)先減小然后增加的調(diào)節(jié)過程。
    將電壓外環(huán)PI改為按照式(4)取值的PR調(diào)節(jié)器，電壓和輸出電流波形如圖5c所示，可見，采用PR控制輸出并網(wǎng)電流波形沒有明顯畸變，THD=1．22％。PR控制功率變化時(shí)母線電壓和并網(wǎng)電流波形如圖5d所示，可見，電壓外環(huán)采用PR調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)更快。當(dāng)功率變化時(shí)，雙PI控制大概在10個(gè)電網(wǎng)周期才能過渡到一個(gè)穩(wěn)態(tài)；而電壓外環(huán)PR調(diào)節(jié)可使母線電壓和并網(wǎng)電流平滑過渡，只需2個(gè)周期即可進(jìn)入下一個(gè)穩(wěn)態(tài)。

    由圖4搭建仿真模型，3 kW時(shí)母線電壓和并網(wǎng)電流波形如圖5e所示。可見，采用新控制方法可保證母線電容穩(wěn)壓和很好的并網(wǎng)電流，THD只有0．8％。新控制方法下功率變化時(shí)母線電壓和并網(wǎng)電流波形如5f所示，對(duì)比可見，在前級(jí)功率變化時(shí)，新控制方法和雙PI控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能更好。新控制方法中，系統(tǒng)功率變化時(shí)，電流和母線電壓過渡更加平穩(wěn)，同時(shí)能保證高質(zhì)量的輸出電流。

7 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    H橋采用光伏專用模塊FZ06BLA045FH-P897E，二極管采用SiC肖特基二極管，其快恢復(fù)性能好，可顯著降低開關(guān)損耗和電磁干擾。控制采
用DSP2808芯片。采用圖4中的控制方法，非隔離并網(wǎng)，濾波電感3 mH，實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。

    可見，并網(wǎng)電流波形質(zhì)量隨著功率增加越來越好，測(cè)量半載1．5 kW時(shí)并網(wǎng)電流THD≈1％。

8 結(jié)論
    對(duì)單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行建模，通過理論分析和仿真可知，傳統(tǒng)的母線電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制為兼顧并網(wǎng)電流質(zhì)量和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，必須在后級(jí)電流環(huán)中加入母線電壓紋波補(bǔ)償和電網(wǎng)電壓抑制補(bǔ)償環(huán)節(jié)。若在電壓環(huán)中采用比例諧振調(diào)節(jié)器控制，將諧振點(diǎn)設(shè)置在100 Hz左右，可以抑制母線紋波電壓對(duì)并網(wǎng)電流的影響，同時(shí)保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。
    提出一種基于功率平衡原理的控制方法，將一個(gè)比例控制器作為母線電壓調(diào)節(jié)器加入后級(jí)逆變環(huán)路中，使后級(jí)可采用簡(jiǎn)單的電流環(huán)控制，在母線電容穩(wěn)壓的同時(shí)消除了紋波電壓對(duì)并網(wǎng)電流的影響。傳統(tǒng)的雙環(huán)控制前后級(jí)分開獨(dú)立，這樣前級(jí)功率變化時(shí)，首先體現(xiàn)為母線電壓變化，然后并網(wǎng)電流跟隨母線電壓變化，新控制方法中，前級(jí)功率變化時(shí)直接作用到后級(jí)電流控制中，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。