光伏并網逆變器控制策略研究

【摘要】隨著光伏技術的日益發展，對太陽能的利用逐漸從無電地區發展到有電地區，許多國家都推出了光伏發電計劃。在光伏并網發電系統中，逆變器實現把太陽能電池板產生直流電能轉化為和電網同頻同相的交流電能并且饋入電網，光伏并網逆變器是光伏并網發電系統的樞紐單元。

【關鍵詞】光伏逆變器并網控制

Abstract：With the increasing development of photovoltaic technology, the use of solar energy to electricity area gradually from no development areas have electricity , many countries have introduced a photovoltaic power generation projects. In grid-connected PV system , the inverter to achieve the solar panels generate DC power into the grid with the same frequency and phase of the AC power and fed into the grid , photovoltaic grid inverters are grid-connected PV systems hub unit.

Key wrods:Photovoltaic，inverter，grid connected control

一、引言

太陽能光伏發電，二十一世紀理想的新能源之一。同有限的化石燃料能源相比，太陽輻射能預計在未來100億年里可保持近似恒定輸出，堪稱無限的能源 。根據測算，1年內到達地球表面的太陽輻射能總量是當前世界已探明儲量的化石能源的一萬多倍 。我國是太陽能資源比較豐富的國家之一，全國國土面積2/3以上的地區每年的平均日照時間超過2000小時，具有發展利用太陽能資源得天獨厚的優勢。可見光伏發電勢必成為21世紀最主要的能源之一。

二、光伏并網逆變器總體控制策略

光伏并網發電系統中，并網逆變器多以兩級式結構為主，前級為boost升壓型的DC/DC電路，后級為全橋逆變電路。光伏并網逆變器把太陽能光伏電池板產生直流電能轉化為與電網電壓同頻、同相的交流電能并且饋入電網。光伏并網逆變器輸入是光伏陣列的電壓和電流，輸出是并入電網的有功、無功功率。大電網電壓是一個相對穩定的量，所以對光伏并網逆變器的輸出就是并入電網的電流。這樣，對光伏并網逆變器的控制，就是對這些輸入量和輸出量的控制。

兩級式并網逆變器的控制流程如圖1所示。在圖1中，DC/DC變換電路實現電池板的最大功率點追蹤，保證電池板始終工作在最大功率輸出狀態。通過比較不同占空比（D）條件下，輸入功率（Ppv=Vpv×Ipv）的大小，來調節D使輸入功率始終保證最大。

圖1中后級DC/AC逆變部分采用雙閉環控制，即電壓外環加電流內環。電壓外環控制輸出有功功率大小，穩定直流母線電壓在一個恒定值（不小于滿足并網要求的最小值1.414倍電網電壓）。首先通過功率換算得到并網電流幅值主參考指令Ig-m* ，同時通過電壓外環BUS電壓環控制器得到并網電流幅值補償參考指令Ig-e* ，將兩個參考指令相加得到并網電流幅值參考指令Ig* 。由PLL鎖相環生成與電網電壓同步的正弦參考信號，與電流幅值參考指令Ig*相乘就得到電流內環瞬時電流值參考指令ig*，最后通過電流內環控制器完成逆變器并網電流控制。關于并網電流內環、電壓外環控制器內部結構將在后面給出。

在功率控制方面，輸出功率直接從輸入功率出獲得，即直接由輸入功率Ppv得到并網電流幅值參考指令Ig-m*，實現了超前控制，降低了對母線電壓外環控制器積分的依賴，防止積分飽和。在輸入功率突變時，輸出能快速地跟隨輸入的變化而變化，削弱了母線電壓沖擊，提高了控制系統的穩定性。

三、網壓前饋的雙閉環并網電流控制

電壓外環控制的作用是保證母線電壓的穩定，實現輸出電能和輸入電能的平衡。在兩級式拓撲中，實現前級和后級的完全解耦，最終達到模塊化控制。當光伏陣列的輸出電能大于并網電能時，直流母線電容充電，母線電壓升高；當光伏陣列輸出電能小于并網電能時，直流母線電容放電，此時母線電容和光伏陣列一起給電網提供電能，母線電壓降低。由于實際控制系統中，電流內環的動態響應速度遠遠大于電壓外環的響應速度，因此可以假設并網電流Iac與給定電流是無靜差的。電壓外環采用PI控制，由于PI控制器跟蹤階躍信號不存在靜態誤差，可很好實現外環控制。在電壓外環和鎖相環作用下，得到了內環所需的并網電流瞬時值指令信號，此時問題就轉化為如何無差的跟蹤電流瞬時指令。

目前，系統控制器比較流行的的控制方式有滯環控制、PI控制及比例諧振(PR)控制等。滯環控制屬于實時控制，動態響應快。控制算法簡單，但其控制的開關頻率不固定，輸出電流諧波難以控制。比例諧振控制在固定的頻率點能實現無靜差控制，對諧波能夠有效抑制。但實際設計中，比例諧振控制器由于電子元器件精度及控制芯片采用精度等問題，導致其較難實現。而且當電網頻率波動時，控制器并不能有效放大基波信號，抑制電網諧波信號。PI控制器控制簡單、易于實現，在工業控制中得到廣泛應用。PI控制器對直流信號能夠實現無靜差跟隨，對正弦信號的控制效果相當較弱。但綜合系統精度、實現難易度、控制性能等，電流內環控制器采用PI控制器。

電網電壓前饋補償是利用開環方式來補償擾動信號，其不會改變系統本身特性。如果不采用前饋補償，控制器必須增大比例系數來提高系統增益，但這樣可能導致系統不穩定。而采用電網電壓反饋控制的系統則可以選取較小的增益，增加系統的穩定性。加入電網電壓前饋補償后電流內環的控制結構圖如圖2所示。

四、結束語

隨著石化能源日趨枯竭，環境問題日趨嚴重，綠色清潔新型能源越來越受到各國的重視。太陽能以其高效、清潔等優點，得到了全世界廣泛的關注。并網逆變器作為光伏并網發電系統的樞紐單元，在光伏發電系統中起到關鍵作用。光伏并網逆變器的雙閉環控制即保證了并網電流控制的穩態性能又保證了控制的動態性能，在加入網壓前饋環節后，很好的抑制了電網電壓對并網電流產生影響。

參考文獻

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作者簡介：凌洋（1988-）江蘇宿遷人，安徽理工大學2011級控制理論與控制工程碩士研究生，主要從事智能控制技術研究