三相光伏并網逆變器的控制與研究

張 寧,秦 凱,楊世寧

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院,哈爾濱 150022)

三相光伏并網逆變器的控制與研究

張 寧,秦 凱,楊世寧

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院,哈爾濱 150022)

為有效地使用光伏能源,介紹了光伏并網控制系統的構成和探討了逆變器的控制方法。在MATLAB/SIMULINK環境下,建立三相光伏逆變器控制系統仿真模型,采用雙回路的電壓電流控制策略,對采集的數據進行CLARK和PARK坐標變換,然后經過經典的PI調節后送入相應的控制芯片來產生SPWM波形對逆變橋開關進行控制,使系統能夠及時檢測電網波動,斷開逆變器與電網的連接。,通過仿真試驗結果證明了該控制算法的正確性與可行性，驗證了這種雙回路控制策略的有效性。

光伏發電;三相逆變器;PI調節;SPWM

光伏能源已成為一種重要的可持續能源[1]。隨著電力電子技術的不斷發展,光伏陣列產生的直流電可以將經過逆變電路逆變成的交流電,一部分供用戶使用,另一部分可并入電網緩解用電高峰。但是,整個系統逆變能力的高效性是由高頻率脈寬調制信號來控制的,所以為了減少自身開關的損耗、不平衡負載下輸出電壓的非線性以及輸出的波動性、電磁干擾和高次諧波的影響,必須提高逆變器的轉換效率。在逆變器控制系統中常用的控制器有現場可編程邏輯門陣列(FPGA)、數字信號處理器(DSP)等[2]。基于此,本文介紹了光伏并網控制系統的構成，探討了逆變器的控制方法,在MATLAB/SIMULINK環境中建立了三相光伏逆變器控制系統仿真模型,以使整個控制系統產生與電網電壓幅值、頻率、相位相同的正弦波,然后并入電網中,電網出現波動時能及時與電網斷開,保證電網運行的穩定性。

1 并網逆變系統介紹

光伏并網控制系統如圖1所示。光伏逆變并網系統主要由光伏陣列、逆變器、LC濾波、負載、控制系統等部分構成。系統對光伏陣列產生的直流電進行儲存,經過DC-AC直流升壓電路后的直流電作為逆變器的輸入級,然后對其直流電采集并進行MPPT跟蹤,確保光伏陣列始終工作在最大功率點處[3]。不同的環境溫度和光照強度都會影響光伏陣列的輸出電流,為了分析簡單化,設光伏陣列的工作溫度為25 ℃,光照強度為1000 W/m2。控制系統設有電壓電流控制模塊、電網電壓同步模塊、SPWM發生器、異常電壓或頻率檢測模塊等,主要對逆變電流和電網電壓進行采集,并將采集的信號送入DSP控制芯片中,經過控制算法轉換處理,輸出精確的SPWM控制信號來控制IGBT的通斷。通過調節使輸出的交流信號穩定,與電網電壓同相位、同幅值、同頻率,然后并入電網中[4]。

圖1 光伏并網控制系統

太陽能電池的輸出電流受到環境溫度和光照強度的影響,輸出電流為

通常情況下光伏陣列由光伏電池串并聯組成一個整體作為逆變器的輸入級,產生的電流和電壓為

VPV=NS[Vref-β(T-Tref)-RS(T-Tref)]

輸出的功率為

Ppv=VPV×IPV

在設計中用了72塊光伏陣列串并聯結構,總的輸出直流電壓為408 V,功率容量為5.8 kW,經過升壓電路將電壓升到700 V作為逆變電路的輸入級,逆變器輸出的線電壓為415 V。經過LC濾波電路濾除高次諧波的干擾,使輸出的電壓波形近似正弦波供負載使用,再對電網電壓進行采集、處理,將逆變出的電壓并入電網中。

2 控制策略

在逆變器控制過程中,主要分為獨立運行和并網運行兩種模式[5]。在并網運行之前,系統首先進行獨立運行,以輸出穩定電壓。一旦同步,就進入并網運行模式。獨立運行下的雙回路控制策略如圖2所示。利用PI控制器來調節逆變器輸出電壓和光伏陣列的輸入電壓。控制算法中包括鎖相環控制、坐標轉換、電壓比較環節、PI調節和SPWM控制信號發生器等。

在獨立運行模式下,逆變輸出的三相電壓供負載使用,而不與電網并聯。經過電壓環的控制,輸出的三相電壓分別為

圖2 雙回路電壓控制策略

經過CLARK和PARK變換到d-q坐標中,再利用50 Hz的鎖相環采集相位,使三相電壓之間相位相差120°,坐標變換式子為

式中:u(t)為控制器的輸出電壓,Kp和Ki分別為比例積分增益。產生的誤差信號即為基準電壓信號與測得的電壓信號之差:

e(t)=r(t)-y(t)

PI控制器將系統出現的誤差信號比例放大,并利用積分快速調節,直至誤差消失[6]。經過這樣的控制方式能夠使產生的SPWM控制信號的誤差保持最小，使系統的輸出電壓盡可能地接近所要的參考電壓，使其結果更穩定[7]。

當系統檢測到逆變輸出的三相電壓與從電網采集到的電壓在幅值、頻率和相位都同步的情況下,系統給予斷路器閉合信號,將系統接入電網開始并網運行模式。并網運行下電流控制策略如圖3所示。

圖3 雙回路電流控制策略

采集逆變輸出電流,經過坐標變換與基準電流進行比較再作PI調節。基準電壓由電壓控制策略直流側獲得,即直流母線電壓。Vdc是經PI調節和直流升壓后得到的700 V。為防止電網對系統的擾動,當檢測到變化時,控制器就會給斷路器斷開信號,使系統與電網斷開,進入獨立運行模式。

3 控制信號發生器

在兩個環路的最后控制環節都是SPWM的產生環節,經過PI調解后將信號送入控制器,然后產生控制IGBT通斷的控制信號。信號產生過程中的載波信號是15 kHz的三角波,SPWM控制中采用的脈寬調制信號是近似正弦波的信號,即為逆變輸出波形的基波頻率。通過控制占空比來控制IGBT的通斷,三角波頻率的設定即為逆變器開關的頻率。

輸出的交流電壓中諧波分量的頻率為

f=kMffc

式中:fc為控制信號的頻率,k為常數,Mf為頻率調制指數。

ftri為三角波頻率。

由于光伏陣列的輸出電壓被控制在一定的電壓范圍作為逆變環節的輸入級,輸出交流電壓的調節關系式為

V0=0.612MaVdc

式中:Vdc為直流輸入電壓;Ma為振幅調制指數,是控制振幅的比值信號。

式中:AVC為控制信號的振幅,AVtri為三角載波信號的振幅。

參數的選擇決定了逆變器輸出線電壓的基本有效值應保持在0.9左右的范圍,以便不出現過調制的現象,可避免輸出電壓中多次諧波的出現[8]。逆變器輸出電壓經過濾波器后與電力網絡連接,沒有使用隔離變壓器是因為它體積大、沉重而且昂貴,與三相阻抗負載連接也是如此。在設計和實驗過程中,基本可以實現正弦波的輸出,經過濾波器可有效濾除高次諧波,截止頻率一般設為基波頻率的1～2倍即可。

4 仿真模型及結果

在MTALAB中建立的仿真模型如圖4所示。逆變輸出的三相電壓波形如圖5所示。從圖5可看出,在0.03 s處,波形出現稍微變化,這說明在0.03 s之前,系統工作在獨立運行模式,波形近似正弦波,相位相差120°,幅值為1 p.u(240 V),頻率為50 HZ,此時控制算法為電壓控制策略。在0.03 s之后,輸出的電壓與電網電壓同步,實現并網運行,進入并網模式,控制算法為電流控制策略。

輸出的三相電流波形如圖6所示。三相電流波形近似正弦波,在0.03 s處電流進行了調節,之后進入并網運行模式。由圖6可看出,這種算法能夠保證流入電網的電流維持在恒定水平。

光伏陣列產生的功率、負載消耗的功率、電網功率的變化如圖7所示。從圖7可看出,在并網運行之前(0～0.03 s),由PV產生的功率(5.8 kW)全部消耗在負載上,在并網初期(0.03 s～0.05 s)功率變化微小。當負載功率提高到8.8 kW時,PV輸出的功率不變,但電網功率下降供負載使用。當負載功率減低到2.8 kW時,電網功率明顯提高,多余的功率將流入電網中。

輸出電壓和電流的THD如圖8和圖9所示。在圖8和圖9中,輸出電壓和電流的的THD分別為2.48%和4.64%,符合低于5%的IEEE標準。由此說明,電壓和電流的控制方法、SPWM的控制方法、實驗過程的濾波器設計在整個逆變器系統中可行。當電網電壓頻率出現擾動時,逆變器的工作狀態也會隨之發生改變。電網頻率增到51 HZ時,輸出電壓的變化如圖10所示。

圖4 仿真模型

圖5 三相輸出電壓

圖6 三相輸出電流

圖7 負載變化時功率變化圖

圖8 輸出電壓的THD和諧波頻譜

圖9 輸出電流的THD和諧波頻譜

圖10 電網頻率為51 Hz時電網電流和逆變電壓

從圖10可看出,在0.03 s處監測到電網出現擾動,經過調節器調節直到0.113 s,大約2.65個周期,逆變器輸出電壓降為0,流過電網電流也為0。這說明當電網出現擾動時,經過監測調節使斷路器與電網斷開,確保逆變器不對電網造成影響,保證整個電網運行的穩定,同時也保證了設備與后續檢測人員的安全。同理,當電網頻率減低到49 Hz時,電網電流和逆變電壓也有同樣的變化,斷路器同樣會斷開,保證電網運行穩定和設備及檢測人員的安全。

仿真結果如圖11所示。當電網電壓發生擾動時,逆變器的工作狀態也會隨之發生改變。當逆變器開始并網運行時,檢測信號變為高,當電網電壓出現擾動時,檢測信號會變為低。電網電壓升高到264 V時電網電壓和檢測信號如圖12所示,電壓變為264 V后輸出電壓的變化如圖13所示。

從圖12和圖13可看到,在0.03 s時檢測信號變為高,逆變器開始進入并網運行模式,當電網電壓發生干擾時,檢測信號變為低,斷路器斷開,流入電網電流為零,使逆變器與電網斷開,逆變輸出電壓為零。

圖11 電網頻率為49 Hz時電網電流和逆變電壓

圖12 電網電壓為264 V時檢測信號

圖13 電網電壓為264 V時電網電流和逆變電壓

當電網電壓降低到211 V時,輸出電壓同樣會發生改變,如圖14和圖15所示。由圖14、圖15可看出,在0.03 s開始并網運行,0.065 s時電網電壓發生擾動,斷路器斷開,流入電網電流為零,逆變輸出電壓為零。

圖14 電網電壓為211 V時檢測信號

圖15 電網電壓為211 V時電網電流和逆變電壓

5 結 語

在MATLAB/Simulink環境下,建立了整個光伏并網逆變系統仿真模型。分別采用了雙回路的電壓和電流控制算法,對逆變器輸出電流、電網電壓及相位分別進行采集,將三相的采集數據經過CLARK和PARK坐標變換后,轉到d-q坐標系中進行處理。與標準值進行比較并經過PI調節后送入控制芯片中產生相應的控制逆變橋開關的驅動脈沖信號。經過調節后與電網電壓完全同步后進入并網運行模式。當電網出現擾動時,采集器能夠做出相應的措施,使逆變器與電網斷開,保證電網運行可靠性。仿真結果表明,該模型與控制方法能夠有效將PV產生的直流電逆變成交流電,并通過控制方法的調節來實現并網運行,在一定程度上驗證了該控制算法的正確性與可行性。

[1] 姚為正,付永濤,蘆開平,等.三相光伏并網逆變器的研究[J].電力電子技術,2011,45(7):5-7. YAO Weizheng, FU Yongtao, LU Kaiping, et al. Research on three-phase photovoltaic grid-connected inverter [J]. Power Electronics, 2011,45(7):5-7.

[2] 于寧,何同能,王澤鍇.基于DSP的三相逆變并網同步控制算法及實現[J].機電工程,2013,30(7):878-881. YU Ning, HE Tongneng, WANG Zekai. Algorithm and realization of three-phase grid-connected inverter synchronous control based on DSP [J]. Journal of Mechanical & Electrical Engineering, 2013,30(7):878-881.

[3] 曹勇,劉萬兵,王慶勇.光伏發電逆變器工作原理及控制[J].自動化技術與應用,2013,32(12):119-122. CAO Yong, LIU Wanbing, WANG Qingyong. Working principle and control of photovoltaic power generation inverter [J]. Techniques of Automation and Applications, 2013,32(12):119-122.

[4] 王恒利,付立軍,肖飛,等.三相逆變器不平衡負載條件下雙環控制策略[J].電網技術,2013,37(2):398-404. WANG Hengli, FU Lijun, XIAO Fei, et al. A double-loop control strategy for three-phase inverter with unbalanced load [J]. Power System Technology, 2013,37(2):398-404.

[5] 王篤亭,李一丹. 一種400W太陽能逆變電源系統設計[J].黑龍江電力,2014,36(5):460-462. WANG Duting, LI Yidan. Design of 400W solar inverter syst-em [J]. Heilongjiang Electric Power, 2014,36(5):460-462.

[6] 劉青,高金峰,陶瑞,等.三相光伏并網系統的控制技術研究[J].電源技術,2014,38(7):1298-1301. LIU Qing, GAO Jinfeng, TAO Rui, et al. Research on control strategy for three-phase photovoltaic grid-connected syst-em [J]. Chinese Journal of Power Sources, 2014,38(7):1298- 1301.

[7] 屈百達,潘文英.三相逆變器的建模及其控制[J].電源技術,2014,38(2):345-348. QU Baida, PAN Wenying. Modeling and control of three-phase inverter [J]. Chinese Journal of Power Sources, 2014,38(2):345-348.

[8] 陽習黨,王恒利,揭貴生,等.雙環控制三相逆變器輸出直流分量分析與控制[J].電力電子技術,2014,48(7):45-47. YANG Xidang, WANG Hengli, JIE Guishegn, et al. Analysis and control for dc bias in three-phase inverter based on dual-lo-op [J]. Power Electronics, 2014,48(7):45-47.

(責任編輯 侯世春)

Study and Control of three-phase photovoltaic grid-connected inverter

ZHANG Ning, QIN Kai, YANG Shining

(School of Electrical & Control Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

In order to effectively use PV, this paper introduced the constitution of photovoltaic grid-connected control system and discussed the control method of inverter. It is the method that adopts the simulation model of three-phase photovoltaic inverter control system established in MATLAB/SIMULINK and double-loop voltage-current control strategy to make CLARK and PARK coordinate conversion on the acquired data so as to control inverter bridge by SPWM wave form generated by the corresponding control chip after the typical PI regulation, which enables the system to detect network oscillation in time and to break the link between inverter and network. Finally, the result of simulation proved the correctness and feasibility of the control algorithm.

photovoltaic; three-phase inverter; PI regulator; SPWM

2015-03-09。

張 寧(1988—),男,碩士研究生，研究方向為供電系統及其安全。

TM615.2

A

2095-6843(2015)05-0441-06