串聯(lián)優(yōu)化器光伏系統(tǒng)中并網逆變器的控制策略研究*

陳 旺，陳 敏，張 哲

(浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027)

0 引言

傳統(tǒng)的光伏并網系統(tǒng)中，光伏組件直接串、并聯(lián)后，由集中式逆變器實現最大功率點跟蹤與控制并網電流的功能。這種結構成本低、效率高，適用于大規(guī)模光伏電站的建設［1］。但對于正處于快速發(fā)展期的屋頂光伏系統(tǒng)等分布式光伏并網應用場合，由于部分陰影遮擋或組件不匹配而導致的熱斑效應，集中式并網結構并不能將系統(tǒng)功率利用最大化，基于組件級別最大功率點跟蹤(distributed MPPT，DMPPT)的結構在學術界與工業(yè)界都開始受到青睞［2］。

串聯(lián)型優(yōu)化器并網系統(tǒng)是DMPPT 結構中具備高效率、低成本、高可靠性的一種解決方案。串聯(lián)型優(yōu)化器結構是一種兩級式的光伏并網系統(tǒng)，前級每一臺光伏組件連接一臺優(yōu)化器，再將優(yōu)化器的輸出端串聯(lián)形成高壓直流母線;后級為集中式的逆變器，控制直流母線電壓與并網電流，平衡兩級之間的功率流動［3］。

每個優(yōu)化器對各自的光伏組件進行最大功率點跟蹤，實現了組件級別的MPPT 功能，因而可以解決熱斑效應導致的光伏系統(tǒng)輸出功率損失［4］。輸出端串聯(lián)的連接方式可以使優(yōu)化器的輸入/輸出電壓接近，提高優(yōu)化器效率的同時降低了系統(tǒng)成本。直流母線的設計提高了系統(tǒng)的擴展性，易于多個優(yōu)化器串列的并聯(lián)應用或者擴展為直流微網系統(tǒng)。

在串聯(lián)型優(yōu)化器系統(tǒng)中，由于集中式逆變器的輸出電壓和輸出電流同為工頻交流波形，而光伏組件在外部條件不變時輸出功率不變，在直流母線電容Cbus上會形成100 Hz 的電壓紋波，影響控制環(huán)路的穩(wěn)定性，引起并網電流諧波失真(THD)［5］。

本研究在對串聯(lián)型優(yōu)化器系統(tǒng)分析的基礎上，設計集中式逆變器的控制器，提出一種電壓環(huán)紋波補償的控制策略，以降低并網電流的THD，達到減小直流母線電容的目的。

1 并網逆變器拓撲選擇

目前，光伏逆變器大量采用無變壓器的拓撲結構。但是光伏組件與電網之間沒有電氣隔離，因此器件開關動作會導致光伏組件寄生電容的充放電從而產生共模漏電流［6］。串聯(lián)型優(yōu)化器系統(tǒng)的共模電流模型如圖1所示。

圖1 串聯(lián)型優(yōu)化器光伏系統(tǒng)共模電流模型

為了抑制對地共模電流，本研究選用的并聯(lián)雙Buck 拓撲作為逆變器的主功率電路如圖2所示。在電網電壓的正半周期，由開關器件SPL、SPH、二極管DPH及電感LP組成的Buck 電路工作，此時開關管SPL常通而SNL常關，SPH與二極管DPH交替導通;而在電網電壓的負半周期，由開關器件SNL、SNH、二極管DNH及電感LN組成的Buck 電路工作，此時開關管SNL常通而SPL常關，SNH與二極管DNH交替導通［7］。

圖2 并聯(lián)雙Buck 電路

并聯(lián)雙Buck 電路通過常通開關SPL與SNL保證直流側的一極始終與電網連通，使得寄生電容vcm上的共模電壓基本不變，因而抑制了共模漏電流;避免了橋臂共通問題，不需要高頻死區(qū)，提高了電路的可靠性同時減小了電流畸變;在工作狀態(tài)下只有一個高頻工作的開關管，減小了開關損耗［8］。

2 并網逆變器的控制策略

在串聯(lián)型優(yōu)化器光伏并網系統(tǒng)中，前級的優(yōu)化器只負責組件的最大功率點跟蹤，并不控制輸出電壓的大小。而后級的逆變器需要穩(wěn)定直流母線電壓并控制并網電流的大小和相位，平衡兩級之間的功率［9］。為了實現優(yōu)化器與集中式逆變器兩者控制策略之間的相互獨立，通常情況下需要使用足夠大的直流母線電容。

2.1 集中式逆變電路控制器設計

逆變電路的控制器采用雙環(huán)控制，直流母線電壓外環(huán)經過PI 調節(jié)后與電網電壓相位相乘作為并網電流內環(huán)的基準值，并網電流經過PI 調節(jié)后產生SPWM驅動信號控制逆變器的工作，控制結構如圖3所示［10］。

圖3 集中式逆變器控制結構示意圖

逆變器每工頻半周只有一個Buck 結構在工作，因此可將逆變器簡化為Buck 電路。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電流內環(huán)的帶寬大于直流母線電壓外環(huán)的帶寬，因此可以分別設計內環(huán)與外環(huán)，電流內環(huán)的控制框圖如圖4所示。

圖4 電流內環(huán)控制框圖

逆變器電壓環(huán)的控制框圖如圖5所示。

圖5 電壓外環(huán)控制框圖

2.2 電壓環(huán)紋波補償控制策略的設計

母線電容的100 Hz 電壓紋波會影響電流環(huán)的參考值iref，造成輸出電流THD 的增加。本研究提出了一種電壓環(huán)紋波補償的控制方法，通過將電壓紋波的幅值與相位補償到控制環(huán)路中，減小電壓環(huán)輸出的電流參考信號幅值中的諧波含量，進而降低并網電流THD。

逆變器的瞬時輸出功率pout可以表示為:

式中:Ig—電網電流幅值，Vg—電網電壓幅值，ωg—電網電壓角頻率。

在光照不變的情況下，逆變器的輸入功率即光伏組件功率不變，忽略逆變器的損耗，則輸入功率為:

直流母線電容上的功率變化可以表示為:

電容上的功率變化造成直流母線電壓的100 Hz紋波。將直流母線電壓分解為直流量Vbus和交流紋波ΔVbus:

補償控制的原理是在控制環(huán)路中將直流母線電壓交流量ΔVbus造成的紋波消除。在任意時刻t 輸入電容上儲存能量的變化為:

將兩式合并，略去ΔVbus的二次項可得ΔVbus的近似表達式:

母線電壓直流量可由參考電壓Vref近似代替，逆變器的輸入功率Pin由輸入功率經低通濾波得到。對電壓環(huán)進行紋波補償即在電壓環(huán)路控制中，將交流紋波分量ΔVbus過濾。直流母線電壓的加入電壓紋波補償后的電壓環(huán)控制框圖如圖6所示。

圖6 電壓環(huán)紋波補償控制

3 仿真與實驗

本研究建立了基于Plecs 的仿真平臺，并制作了一臺并聯(lián)雙Buck 逆變器樣機及3 臺串聯(lián)型優(yōu)化器樣機，對光伏逆變器控制策略進行仿真和實驗驗證。優(yōu)化器的輸入由3 臺光伏模擬器Sorensen DCS80-15E 提供。由于3 臺優(yōu)化器串聯(lián)得到的直流母線電壓較低，不足以并入220 V 交流電網，本研究在樣機實驗中將母線電壓調整為150 V，電網通過調壓器調整為有效值75 V，與逆變器的輸出端相連，系統(tǒng)的實驗參數如表1所示。

表1 系統(tǒng)實驗參數

采用傳統(tǒng)控制方法與紋波補償控制方法的仿真波形對比分別如圖7、圖8所示。直流母線電容為940 μF，系統(tǒng)的輸出功率在5 s 時刻從200 W 增加到300 W。在采用了電壓環(huán)紋波補償的控制策略后，輸出電流參考值Iref上的紋波明顯減小，滿載時的YTHD由5.7%降到0.9%。

圖7 傳統(tǒng)控制方法仿真波形

圖8 紋波補償控制方法仿真波形

將直流母線電容減小到470 μF 時系統(tǒng)的仿真波形如圖9所示。在相同功率下直流母線電壓Vbus的100 Hz 紋波幅值明顯增加，電流環(huán)參考值的紋波比采用940 μF 母線電容時的紋波略有增加，并網電流THD為2.4%。

圖9 減小母線電容后紋波補償控制方法仿真波形

采用傳統(tǒng)控制方法與紋波補償控制方法的實驗波形對比分別如圖10、圖11所示。直流母線電容為940 μF，系統(tǒng)輸出功率300 W，采用了電壓環(huán)紋波補償后，并網電流的THD 從6.9%降到了2.2%。

圖10 傳統(tǒng)控制方法實驗波形

圖11 紋波補償控制方法實驗波形

電壓環(huán)紋波補償前、后并網電流的THD 如表2所示。由表2 可知，在將直流母線電容減小到470 μF后，采用紋波補償的方法仍可以將THD 控制在3.7%左右。

表2 電壓環(huán)紋波補償控制對并網電流THD

綜上所述，仿真與實驗的結果均驗證了電壓環(huán)紋波補償對光伏逆變器并網電流THD 的抑制作用。在不增加并網電流THD 的條件下，可以減小直流母線電容的取值，提高系統(tǒng)可靠性，降低成本。

4 結束語

本研究對串聯(lián)型優(yōu)化器光伏系統(tǒng)中并網逆變器的控制策略進行了分析與設計，提出了一種電壓環(huán)紋波補償的控制方法。該方法在不增加額外電路的條件下，通過在控制環(huán)路中補償100 Hz 電壓紋波，可以減小電流環(huán)參考值的紋波，有效地降低并網電流THD。仿真與實驗結果均驗證了電壓環(huán)紋波補償控制方法的有效性。

在同樣采用電壓環(huán)紋波補償控制的情況下，本研究在仿真與實驗中還對比了不同母線電容時的并網電流THD。理論上該種控制方法可以消除電容取值對電流環(huán)參考幅值iref的影響，但由于控制方法中母線電壓紋波是一個近似值，受電容實際值大小、電容等效串聯(lián)電阻等參數的影響，并不能完全消除電壓環(huán)紋波的影響，減小母線電容后THD 有所增加，不過仍能得出采用電壓環(huán)紋波補償的控制方法可以減小直流母線電容取值的結論。

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