基于改進雙閉環控制的光伏并網系統研究

陳 誠，王 勛，程宏波

（華東交通大學電氣與電子學院，江西南昌330013）

光伏發電技術迅速發展，其中并網發電技術更受到關注[1-5]。光伏并網發電系統普遍采用兩級式結構，從而可以分級控制[6]，光伏組件將太陽能轉換為不穩定的電能后[7-9]，經直流變直流（DC/DC）得到較穩定的直流電，再逆變為交流電且并網向負載供電。在實際應用中，往往存在光照強度很強時，直流側輸出功率大于逆變側設計時設定的并網最大功率[10]，由于逆變電路功率被限制在設計功率上，此時若直流側繼續做最大功率跟蹤，這必然導致直流母線上的電壓升高，直至電容或者開關器件損壞，導致系統運行不穩定，這樣不僅造成經濟的損失，還嚴重影響人生安全[11]。

針對上述現象，文獻[12]通過設計變步長的最大功率跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制算法來控制母線電壓，但是并未考慮逆變側的設計功率不容許逆變側輸出功率過大。文獻[13]提出增大直流母線電容，但這造成控制系統響應慢，且系統體積大，降低了系統的功率密度，成本昂貴，效果不佳。文獻[14]始終控制直流側輸出功率等于逆變側的輸入功率，來限制母線電壓波動，但控制復雜，且這樣增加了逆變器件選型的要求，實現難度大。為了提高系統的功率密度和光伏電池能量的利用率，本文提出一種新型的光伏并網系統控制方案，詳細分析了它的控制設計方法，并進行了仿真驗證。

1 系統結構及新控制策略

系統采用現今商業上使用最多的也是最常見的前級Boost升壓、后級全橋逆變結構[15-16]，選取型號為SW-10S的光伏電池串并聯為光伏陣列[17]。MPPT控制采用擾動觀察法，它實現簡單，并且能夠實時控制[18-19]。Boost升壓電路和全橋逆變電路均采用了平均電流控制方法[20-21]。

本文在直流側設計了一種三環控制，即基于Boost電路原本的電壓外環電流內環的控制結構，再加入一級Boost輸出電壓的PI環，以控制電壓外環輸出。在輸入電壓外環正常工作時，Boost輸入功率小于系統設計的最大功率，直流母線電壓被逆變電路的電壓外環穩定，直流母線電壓保護環由于基準一直不等于反饋，導致飽和輸出在限幅狀態，在控制分析中可以不考慮，此時只有電壓外環和電流內環來控制；當光照強度增強致使光伏組件最大輸出功率大于設計的最大功率，逆變側電壓環飽和，逆變功率由于電流基準限幅而被限制，多出的功率加在電容上，電容電壓升高，當大于設定的保護電壓時，直流母線電壓保護環開始作用，Boost電壓外環飽和輸出在限幅狀態，輸入的Boost電流基準只由直流保護環的輸出決定，這樣就保證了輸出不超過最大功率，直流母線電壓不超過設定值。

2 控制系統設計

由于設計需要，列出標態下（溫度25℃，光照1 000 W·m-2），系統參數設置如表1所示。

表1 系統參數設置Tab.1 System parameters

整個控制系統分為Boost三環控制和逆變電路雙環控制，本文先重點分析Boost三環控制設計，再簡要說明逆變電路控制設計。

圖1 Boost三環控制結構圖Fig.1 The structure chart of Boost three-loop control

2.1 前饋設計

加入前饋環節屬于一種復合控制方案，從抑制擾動的角度看，前饋控制可以很大地減輕反饋控制的負擔，易于系統的穩定。當控制環節采用典型一階系統時，雖然使系統具有很好的跟隨性，但系統受干擾時，需要很長的時間才能使系統穩定；如采用典型二階系統，雖能增強系統的抗干擾性能，但降低了其跟隨性能。因此考慮在典型一階系統中加入前饋設計，就可以保證系統的跟隨性和抗干擾性能。

本文采用了靜態前饋補償的方式來簡化系統的控制設計，設電壓前饋系數，剛好可以抑制電壓的擾動。從補償的原理來看，前饋補償不會改變反饋控制的系統的特性，所以在分析電流環和電壓環時，可以不考慮前饋的影響[23-24]。

2.2 Boost電流內環的控制設計

由圖2可以寫出Boost電流內環的開環傳遞函數Goi(s)：

根據Boost電路小信號模型，考慮到MPPT相對電壓環很慢，得到電感電流iL與占空比d之間的傳遞函數Gid(s )[20-22]：

為了提高電流環的低頻增益和高頻抑制，加快電流內環跟蹤速度和減小穩態誤差，需增加補償環節，傳遞函數Gci(s)如下，其中Kip為電流環補償環節比例調節增益，τi為積分時間常數。

由于電流采樣要實時跟蹤電流，需采樣到開關量，所以電流采樣的截止頻率就定義在開關頻率，通過合并兩個小時間常數，得電流環的開環傳遞函數Goi(s)：

考慮電流環的快速跟隨性能，采用典型一階系統進行參數設定，要求PI的零點和Gid(s)的極點相抵消且系統阻尼比為 0.707[23-25]，可得。將各參數結果帶入式（4），得到電流環的開環傳遞函數Goi()s：

現代項目管理模式中贈添了范圍管理和項目集中管理兩塊管理領域。現代項目管理同時針對于項目管理的風險和不確定因素，傳統項目管理模式更多地對項目工期重視，各個項目沒有集成、范圍和風險進行專項管理。導致傳統項目在管理中各部門缺乏聯系對問題處理上沒有針對性，這也是傳統項目管理模式效用難以提高的關鍵原因。現代項目管理相比于傳統項目管理新增了范圍項目、集成項目、風險控制的專項管理模式，可使項目管理效用有效提高，這也是現代項目管理模式成為當前主流的最重要原因。

電流環的閉環傳遞函數Gi(s)：

當開關頻率很高時，可忽略掉二次項，則電流環閉環傳遞函數Gi(s)可簡化：

若繪出電流內環開環波特圖和閉環波特圖，可以看到兩個傳遞函數都有足夠的相位裕量和增益裕量，系統相對穩定性和動態性能較強。

2.3 Boost輸入電壓外環的控制設計

本文Boost電路控制存在兩個電壓環，即輸入的電壓外環和直流母線電壓保護環。雙電壓環所對應的電壓基準不一樣，在分析輸入電壓外環時，不考慮直流母線電壓保護環。

電壓外環的開環傳遞函數Gov(s)：

為簡化分析，根據Boost電路小信號模型和光伏電池的模型，在考慮MPPT遠慢于電壓環和忽略輸入電容的內阻情況下，可以得到輸入電壓uin與電感電流iL之間的傳遞函數Gvi(s)，其中，Req為最大功率點時光伏電池等效內阻。

與電流內環一樣，加入補償環節Gcv(s)來增加開環增益，提高動態響應性能和濾除高次諧波，Gcv(s)表示如下，其中Kvp和τv分別為電壓環補償環節的比例系數和積分時間常數。

由于在對直流電壓采樣中，我們需要濾除由于交流電網側瞬時功率帶來的直流母線的波動，一般截止頻率設置在電網頻率的十分之一處。將各式帶入，并合并兩個小時間常數，得電壓環的開環傳遞函數Gov(s)：

實際光伏電池的阻抗是受光照、溫度和工作電流等因素影響，為簡化控制系統設計，方便補償環節參數計算，設Req=0。綜合考慮電壓外環的抗干擾性能和跟隨性能，按典型Ⅱ型系統來設計電壓調節器，工程上一般取中頻寬h為5，得到：

由典型Ⅱ型系統震蕩指標法，以閉環幅頻特性峰值最小準則來給控制器參數整定[22-25]，有：

結合以上兩式和系統參數，可得補償環節參數τv=1，最后可得電壓環的開環傳遞函數Gov(s)：

可以從其波特圖看出傳遞函數滿足系統的靜態和動態特性的要求。

2.4 Boost直流母線電壓保護環設計

同輸入電壓外環的分析一樣，只考慮直流母線電壓保護環工作。輸出電壓uo與輸入電流iL的傳遞函數Gbi(s)如下，其中Ro為Boost等效輸出電阻。

按照典型二階系統參數整定可得補償環的積分時間常數τb=1，比例調節增益最后可得直流保護電壓環的開環傳遞函數Gob(s)為：

可以從其波特圖看出，它的相位裕量和增益裕量滿足系統要求。

2.5 逆變電路雙環設計

逆變電路采用傳統雙環控制結構，控制的電壓為直流母線電壓，同Boost電路控制環路設計一樣，全橋逆變電路電流環的補償環節(s)和電流開環傳遞函數(s)：

可以從它們的波特圖證實傳遞函數有足夠的相位裕量和增益裕量。

3 仿真結果

3.1 逆變電流輸出并網

逆變器接電網，需保持電感電流iL與電網電壓uLN同頻同相位，仿真波形如圖2所示。從圖2中可以看到，電網電壓和并網電流始終同頻同相位，實現了輸出功率因數為1的要求。

3.2 最大功率跟蹤仿真

要知道本文中的MPPT能否實現，需觀察Boost輸入電壓uin和電流iin，其波形如圖3所示，其中輸入電壓幅值縮至0.1倍，輸入電流幅值不變。

從仿真結果中可以看到，輸入電壓穩定在約280 V的位置，輸入電流均值在11.4 A附近，與光伏組件參數Um=280 V，Im=11.4 A一致，驗證了MPPT能實現。

圖2 電網電壓和并網電流波形Fig.2 Waveform of grid voltage and current

圖3 Boost輸入電壓與電流波形Fig.3 Input voltage and current waveform of Boost

3.3 直流母線電壓保護仿真結果

光照增強至1 500 W·m-2下，對加了直流母線電壓保護環的直流母線電壓ubusb及Boost電感電流iLb和沒加保護環的直流母線電壓ubus及Boost電感電流iL進行仿真對比，得到仿真波形圖如圖4所示。

光照增強直接導致光伏組件最大輸出功率增加，由于逆變側功率被限制，此時若繼續做MPPT，多出的功率加在直流母線電容上，圖中可以看到ubus持續升高，無法抑制；而加了保護的電路，保護環輸出作為Boost電感電流基準，控制其大小，圖中可見iLb峰值明顯小于iL，使得ubusb穩定在直流母線電壓保護環的基準電壓400 V上下，很好的實現了限制直流母線電壓過高，保護電路器件，使系統正常穩定工作的目的，證明了該保護是有效的。

圖4 直流母線電壓保護驗證圖Fig.4 Verification figure of DC bus voltage protection

4 結論

本文對光伏并網系統控制進行了分析與設計，提出了一種新型控制，在Boost功率大于逆變電路功率時，通過直流母線電容過電壓的保護控制，自動調節Boost功率以匹配逆變電路功率。從仿真波形對比中可以看到這種控制能有效地使直流母線電壓穩定在預設電壓值附近，同時滿足系統額定功率輸出，提高系統運行的可靠性。

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