17 kW光伏并網逆變器控制技術研究

金湘，陳謙

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100）

17 kW光伏并網逆變器控制技術研究

金湘，陳謙

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100）

隨著新能源技術的快速發展，光伏并網發電以其獨特的優越性成為太陽能開發利用的主流發展趨勢。采用由直流電壓外環和有功、無功電流內環組成的雙閉環控制的方法，并對SPWM和SVPWM兩種脈寬調制方式下的系統工作性能進行對比分析。依據所提的控制策略，研制一臺17 kW的光伏逆變器樣機。由得出的實驗結果可見，所提控制方案能夠有效控制逆變器輸出電流波形。

光伏；逆變器；雙閉環控制策略；SPWM/SVPWM；并網

近幾年來，大電網的脆弱性引起的幾次大面積停電事故給人類生產生活帶來巨大的損失。因此，人們開始對電力系統的發展模式另辟蹊徑。利用先進的控制技術對新能源[1]和可再生能源在負荷處就近供電的發展提供有力補充和有效支撐。光伏并網逆變器作為光伏并網發電系統的核心裝置，其控制優化問題將成為決定系統運行性能的關鍵[2]。本文在分析了三相光伏并網逆變器工作原理的基礎上，設計了基于電網電壓定向的并網逆變器控制結構。根據所提的控制策略，研制了一臺17 kW光伏并網逆變器并進行了并網實驗[3]。

太陽能光伏發電作為太陽能利用的有效方法之一，通常分為獨立型光伏發電系統和并網發電系統。由于后者省略了蓄電池作為儲能環節，大大降低造價成本；在并網供電時，其不足也可通過電網予以調節，不用過多地考慮負載供電的穩定性和供電質量問題。因此光伏并網發電具有更廣闊的市場前景和研究價值。

1 系統結構

非隔離型兩級并網逆變器系統因其不含變壓器，擁有體積、重量和成本低的絕對優勢，迅速得到各國科研人員的重視和工業界的追捧。文中設計的17 kW三相光伏逆變器即為非隔離型兩級式光伏并網發電系統[4]，其整體框圖如圖1所示。

圖1 兩級式光伏發電系統框圖Fig.1 System diagram of double stage type photovoltaic power generation

該結構主要包括太陽能電池板、Boost電路、全橋逆變電路、電感濾波電路和前后級控制電路，其特點是可以讓前、后級的控制相互獨立。系統的穩定性得以提高，降低了控制難度。

2 前級MPPT控制

光伏電池板的特性與太陽能輻照度、溫度等環境因素密切相關，都是高度非線性的。PV模塊為仿真中搭建的電池板模型[2]，當環境溫度為25℃時，不同光照強度下的P-U特性曲線如圖2所示。

圖2 相同溫度不同輻照度下P-U特性曲線Fig.2 P-U characteristic curve under the same temperature but different irradiance

為達到最高的光能轉換效率，可采用MPPT模塊實現最大功率跟蹤，本文采用擾動觀測法。在最大功率跟蹤算法中，擾動觀測法具有控制概念簡單、清晰、被測參量少等優點，被普遍應用在實際光伏系統的MPPT控制中。擾動觀測法的流程圖如圖3所示。

圖3 擾動觀測法的流程圖Fig.3 Flow chart of disturbance observation method

3 后級逆變系統控制

系統的控制結構采用如圖4所示的雙閉環控制結構，即由直流電壓外環和有功、無功電流內環組成[4]。文中采用前饋解耦控制策略，則：

電流內環的動態性能將直接影響到電壓外環的控制性能，因此電流環[5]的設計調節至關重要。為提高系統的動態響應，系統采用直接電流控制。由于PI調節器中的比例部分能迅速響應控制作用，積分部分則最終消除穩態偏差，所以采用PI調節器作為電流環控制器，此時電流內環實現了解耦控制。電壓環[6]的作用主要是控制逆變器直流側母線電壓，減少對網側交流電流的干擾，提高電能質量，還有利于功率器件的耐壓保護。直流電壓外環引入直流電壓反饋并通過一個PI調節器實現直流電壓的無靜差控制。

4 SPWM與SVPWM對比分析

4.1 兩種調制方式原理簡介

PWM控制技術是利用半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度或周期以達到變壓目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術[7]。PWM控制技術有很多種[8]，并且還在不斷發展中。SPWM是以正弦波為調制波進行PWM調制的；SVPWM控制技術是以三相對稱正弦波電壓供電時，交流電動機的理想磁通的圓形軌跡為基準，用逆變器的不同開關模式所產生的實際磁通去逼近基準磁通鏈的圓形軌跡，并由它們比較的結果決定逆變器的開關方式，形成PWM輸出電壓波形。

圖4 DC/AC逆變系統控制框圖Fig.4 Control diagram of DC/AC invert system

對逆變器而言，其輸出性能取決于調制算法的優劣，本文將從正弦PWM（SPWM）和空間矢量 PWM（SVPWM）兩種調試方式下分別進行研究。

4.2 兩種脈寬調制方式下的工作性能對比分析

圖 5（a）為 SPWM 調制下并網諧波分析，（b）為 SVPWM調制下并網諧波分析，可以看出SVPWM與SPWM調制方式下系統并網電流諧波中均含有較高的奇次諧波，在相同的開關頻率下，SVPWM控制方法的諧波含量更少，優于SPWM控制方法。

圖5 兩種調制方式并網電流諧波分析Fig.5 Grid current harmonic analysis under two kinds of PWM modulation mode

但是常規的SVPWM實現方法雖然比較直觀，卻存在大量的非線性運算，且算法復雜，影響SVPWM的執行速度，且SPWM的直流側母線穩壓速度較快。因此，根據不同的工程需要可以選取相應的調制方式。本文考慮系統的開發周期首先在SPWM調制方式下進行樣機研發。

5 實驗結果

根據以上所提方案，以DSP作為主控制芯片，研制了一臺額定功率為17 kW的三相光伏并網逆變器。由于實驗條件有限，只利用該樣機進行了并網電流跟蹤實驗。實驗波形如圖6所示。

圖6 三相并網電流、電壓示波器波形Fig.6 Three phase current，voltage oscilloscope waveform

由圖可知，逆變器的三相并網電流波形質量良好，電流畸變率THD≈3.12%。實驗結果表明，提出的電流控制策略能夠對并網逆變器的輸出電流波形進行有效控制，并網電流質量達到相關標準的要求。

6 結 論

文中通過對17 kW三相太陽能光伏并網逆變系統的深入研究[9]，在研制的樣機上得出實驗結果。SPWM調制方法具有較強的工程實現性，同時其控制策略能使逆變器輸出電流諧波含量降低，輸出波形質量好，證明了理論分析的正確性及控制策略的有效性。

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Research on 17kW grid-connected photovoltaic inverter

JIN Xiang，CHEN Qian
（College o f Energy and Electrical Engineering， Hohai University， Nanjing 211100， China）

With the rapid development of new energy technologies，PV grid connected generation becomes the main development trend of solar energy development and utilization with its unique superiority.Based on the principle analysis of the three-phase photovoltaic grid-connected inverter，double closed loop control strategy is proposed.And the two pulse width modulation （SPWM and SVPWM）are compared and analyzed.A prototype of 17 kW is used to make experiments based on the raised control strategy.And the experimental result shows that the designed control scheme can achieve a good control on the inverter output current waveform.

photovoltaic； inverter； two-loop control strategy；SPWM/SVPWM； grid-connected

TM464

A

1674－6236（2013）04-0125-03

2012-10-11稿件編號201210072

金 湘（1988—），女，江蘇如皋人，碩士研究生。研究方向：電力電子技術。