太陽能光伏發電并網逆變器控制技術的應用

徐智華

（江西電力職業技術學院動力工程系，南昌 330032）

太陽能是一種可再生性能源，此能源的利用，能夠化解能源危機、保護生態環境。光伏發電是將太陽能轉化成電能的主要技術，目前我國光伏研究不斷深化，光伏產業逐步發展壯大。光伏發電技術已在交通、通信、石油和海洋等多項領域得到了廣泛應用。為有效利用光伏發電技術，提高太陽能利用率，需要進一步優化光伏發電系統控制技術。應結合光伏并網逆變器控制目標，制定出太陽能光伏并網逆變器控制的有效策略，實現并網電流單位功率因數的有效輸出。

1 并網逆變器的基本控制方法

作為有源逆變系統，光伏并網系統需要實現直流電向正弦交流電的轉化，并為電網進行供電。因此，光伏并網發電系統控制目標是輸出與電網電壓頻相相同的交流電，得出穩定、優質的正弦波。并網輸出電流是并網逆變器控制的重點，控制方法主要有2 種，一是直接控制輸出電流，先計算交流電流值，再得出交流電流反饋，在交流電流控制的基礎上進行電流值的跟蹤。此控制方法較為簡單，動態響應較為快速，且不會過度依賴系統參數[1]。二是控制輸出電壓，間接實現對輸出電流的控制，以此實現對交流側電流及功率因數的有效控制。需要以穩態電流向量為基礎，根據PWM 基波電壓的向量幅值及具體相位，實現電壓幅值及相位的閉環控制。此方法可免去并網電流檢測環境環節，然而響應時效偏低，瞬時直流電流可能會發生偏移，且電路控制過程相對復雜。目前可采用數字控制算法、連續控制算法進行光伏電網逆變器控制，或是以PWM 控制技術作為調制方法。綜合各控制方法的優缺點，本文采用正弦波脈寬調制逆變技術進行逆變器控制，選用有效值外環控制與瞬時值內環控制相結合的方法處理電路采樣信號，再通過得到的PWM 驅動信號對功率器件通斷進行控制，從而完成并網發電過程[2]。

2 基于正弦波脈寬調制逆變技術的并網逆變器控制策略

2.1 構建控制系統數學模型

單相光伏并網系統主電路具有H 橋型拓撲結構，在功率器件輔助下可將直流能量轉化成交流能量，而后再向電網饋入，由于電網能夠體現出電壓源的特性，因而，需要采用電流源的形式進行電網能量的饋入。在交流側電感濾波影響下，逆變橋會輸出正弦脈寬的電壓波形，再通過轉化形成正弦波電流，之后便可向電網中輸入。同時，由于安裝了DSP 芯片的弱電控制主板，所產生的正弦波會對橋路功率開關器件的開啟及閉合進行控制。單相光伏并網系統的主電路拓撲結構如圖1 所示。

圖1 單相光伏并網系統的主電路拓撲結構示意圖

圖1 中，L 為電感，iL為流經濾波電感的電流，此電流是逆變器輸出電路的狀態變量，按照公式（1）可計算出未經濾波的逆變器輸出電壓值為

式中：RL為電感及交流進線的等效電阻。之后，通過拉普拉斯變換方法，可以求出IL（s）數值，即

式中：RL為電感與交流進線的等效電阻，而G3（s）為濾波電路的傳遞函數。不考慮死區時間非線性影響關系，并忽略功率開關器件上4 個開關延時情況時，如果采用正弦波脈寬調制逆變技術控制太陽能光伏發電并網逆變器，橋式逆變環節將會出現滯后性，此時可等效成小慣性環節，此環節的傳遞函數可按下式計算

式中：KP與TP分別為逆變器增量及一個開關周期，如果開關頻率值設定為10 kHz，此時TP取值為100 us。根據公式（2）與公式（3），可以繪制出逆變系統的并網電流閉環結構圖（圖2）。

圖2 逆變系統并網電流閉環結構示意圖

在非控制狀態下，逆變系統被控對象的傳遞函數可以根據逆變器濾波電感、反饋系統求解出來，計算公式為

式中：L為逆變器濾波電流，取值為0.004 H；a為反饋系統，取值為45。逆變器增量KP及一個開關周期TP分別取值15、100 us。經過計算后，可以在仿真的基礎上得到階躍響應數據，可以發現，在不控制逆變系統時，系統可能會出現原理性穩態誤差，并且需要經過12 ms的時間才可做出響應，說明系統穩定性不佳，且并非最小相位系統。

2.2 設計PI 參數

按照二階系統進行逆變系統的設計，可得到相對穩定且響應靈敏的敏度。為此，需要利用二階工程設計整定PI 調節器的參數值。二階閉環系統的閉環傳遞函數普通形式如公式（5）所示

為增強逆變系統動態穩定性，實現給定量的快捷輸出與全面跟蹤，應在控制理論的基礎上求解高品質系統的開環傳遞函數，從而得到二階品質最佳系統閉環函數優化公式，即

若要得到更加穩定且響應快捷的逆變系統，需要利用數字信號處理器對逆變器系統進行實時的校正處理，使二者構建而成的閉環系統成為二階最佳設計形式[3]。PI 調節器傳遞函數按式（7）計算

式中：KT與KI分別為PI 調節器的比例放大系數及積分時間常數，如果光伏并網逆變器系統的時間常數為，則可認為采用PI 調節器能夠將此常數抵消掉。將公式（5）、（6）、（7）進行整合、聯立與校正，可以得到簡化后的逆變控制系統開環與閉環傳遞函數公式，分別如公式（8）與公式（9）所示。

由于一個開關周期為100 us，將此數據代入公式可以得出開環與閉環傳遞函數分別為

式中：G（s）為校正后系統的開環傳遞函數，Gc（s）為閉環傳遞函數。在完成這些公式推導之后，可以得到能夠展示系統頻率響應情況的開環系統伯德圖（圖3）及閉環控制系統階躍響應曲線（圖4）。 根據圖（3）所示，PI調節開始后，逆變器開環系統處于較為穩定狀態，此時開環傳遞函數相角裕度為67.5°，此時，穿越頻率可以達到722 Hz，與規定的設計標準相符。

圖3 校正后開環系統伯德圖

圖4 校正后閉環系統階躍響應曲線

根據圖（4）顯示，PI 調節實施后，系統上升時間遠遠短于開環控制，僅需0.3 ms 便完成了調控，并且超調量只有4.32%，整個調節過程在0.85 ms 內全部完成，調控時并未產生穩態誤差，說明采用此種調節方式能夠有效提升逆變系統的穩定性。

由于PI 參數整定時采用的逆變傳遞函數屬于經驗模型，因而得出的PI 參數屬于理論值，在實際調節時，還要考慮到分布參數、小時間常數等其他因素，應結合實際情況對P值與I值進行適當修正。

2.3 分析控制系統誤差

求解光伏發電并網逆變器控制系統的穩態誤差時，應以上述推導出的分析模型為依據，采取定量方式進行分析[4]。并網控制系統具有3 種函數，一是斜坡函數，二是階躍函數，三是加速度函數。靜態誤差分析時，輸入信號應選擇3 種函數的線性組合，否則分析結果并不精準。并網電流為正弦函數，如果輸入信號采用的是并網電流，那么計算逆變控制系統穩態誤差的動態誤差時，最好采用動態誤差系數法。求解時，應先運用反變換法計算出輸入參考電流信號

之后，可進一步求解出控制系統的誤差信號，計算公式如下

式中：a、b、c、d4 個字母分別為未確定的動態誤差，其中一個開關周期Tp仍取值100 us，動態誤差c與d分別取值1.13 與11.158。代入上述數據，并經過拉普拉斯反變換，可以計算出逆變系統穩態誤差為0.565 8cos（ωt-1.81°）。在PI 調制模式下，得到的穩態誤差屬于正弦函數，由此可以判斷出，光伏發電并網逆變器系統具有原理性穩態誤差。

2.4 光伏發電并網逆變器控制實施

光伏并網逆變器兼具獨立運行及并網運行2 種工作狀態，獨立運行模式下，以電壓型電源逆變器作為系統，主要是針對輸出電壓進行控制。而并網運行時，以電壓型電流源逆變器作為系統，控制對象轉變為輸出電流。因此，利用正弦波脈寬調制逆變技術進行電流跟蹤時，需要在PWM 載波頻率恒定條件下進行，同時要設定不變化的開關頻率，并以電流偏差調節信號作為調制信號[5]。開關頻率固定的目的是減少功率器件開關耗損量，并簡化輸出側濾波電感設計。為此，光伏發電并網逆變器控制時，需要聯合應用有效值外環控制及瞬時值內環控制2 種方法。

根據圖5 所示，斷開開關S2情況下，光伏發電并網逆變器處于獨立運行狀態，在電壓閉環條件下進行工作。如果開關S1連接到節點2 上，此時可以控制逆變電壓，輸出的是正弦波電壓，輸出電流不會對逆變器產生任何影響。同時還可利用數字鎖相環技術，確保輸出電壓、電網電壓頻相一致，以降低并網后電網所受到的沖擊。閉合S2時，逆變器則處于并網運行狀態，在電流閉環條件下工作。此時，可使S1連接到節點1，這主要是對輸出電流進行控制，由于輸出電壓比電網電壓略高，因此，也可以利用數字鎖相環技術進行二者的頻相調整。構建完成電流環且待此環處于穩定狀態后，可將S3開關合上，此時，輸出波形會形成逆變器的控制內環，而輸出電壓與輸出電流的有效值則共同構成控制外環。此種雙閉環控制結構的應用，能夠提升逆變器的負載能力，并可使輸出電壓及輸出電流的波形、幅值均達到設計標準。此外，此種控制結構還可實現逆變器獨立運行與并網運行2 種運行狀態的靈活切換，且并網時無電流通過，控制效果相對理想。

圖5 基于雙閉環控制的逆變器控制結構示意圖

3 結束語

本文在光伏并網逆變器類型分析的基礎上，闡述了光伏發電并網逆變器的基本控制方法，并在此基礎上構建逆變器控制系統的模型，計算出了PI 控制參數，并分析了逆變器控制系統的誤差，總結出光伏逆變器電流環控制方式具備原理性誤差的分析結論。之后，選用有效值外環控制與瞬時值內環控制相結合的控制策略，繪制出了逆變器控制結構圖，并闡述了逆變器獨立運行與并網運行時的控制模式，驗證了此種雙閉環控制結構在太陽能光伏發電并網逆變器控制方面成效顯著。