基于準PR控制的三相光伏并網逆變器研究

劉倩麗， 龔 力， 張小華

(湖北工業大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068)

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基于準PR控制的三相光伏并網逆變器研究

劉倩麗， 龔 力， 張小華

(湖北工業大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068)

在光伏發電并網過程中，為避免光伏發電系統的耦合影響電網質量，提出一種更為簡單的三相并網逆變器的控制策略。利用 MATLAB/SIMULINK 建立在兩相靜止坐標系下三相并網逆變器的數學模型，采用外環為功率環,內環為電流環,選擇準比例諧振(PR)控制器實現電網電流的控制，最后得到了三相并網逆變器的控制系統。通過仿真實驗，驗證了控制策略的可行性。

光伏并網； 逆變器； 準比例諧振(PR)控制器； Simulink 建模

逆變器是一種將直流電轉換為交流電的裝置，也可稱為逆變電源，可以輸出與國家電網要求一致的50 Hz正弦交流電，提供給需要移動供電的地方或者是無電地區使用。將太陽能電池通過光生伏特效應產生的直流電轉換成交流電并傳輸到電網上，是作為一種電網與太陽能電池的接口裝置[1]。隨著現代逆變技術的快速發展，光伏并網發電系統的使用和推廣得到了強有力的技術支持。目前并網逆變器正向著高效、高可靠性、智能化的方向發展，影響著整個光伏系統以及電網的正常可靠運行、并網供電質量、系統成本。

1 三相逆變器數學模型

電網對逆變器的要求很高：一要能穩定直流模塊與交流模塊之間的直流側電壓；二要保證逆變器側輸出的電壓電流與電網的電壓電流同步，即在幅值、相位、頻率上要嚴格保持一致；還要使輸出功率達到最大值，即功率因數盡可能接近1[2]。要選擇合適的三相并網逆變器控制策略，以及分析控制后的逆變器穩態與動態性能，需要建立三相光伏并網逆變器的數學模型[3](圖1)。

圖1 三相并網逆變電路

在圖1中，利用基本的電路原理(KVL)建立起a相回路方程

(1)

ua=uaN+vNO=vdcTa+vNO

(2)

將式(2)代入式(1)中可得到

由此可以得三相并網逆變器建立方程組

其中,k=a,b,c

2 兩相靜止坐標系下的控制策略分析

傳統PI控制器不僅算法簡單而且動態響應速度快、穩定性比較好。但此系統中若采用傳統PI控制器,在兩相靜止坐標系下不能實現交流電的無靜差控制，需要將控制信號轉化到同步旋轉坐標系下執行。同時，為了實現解耦控制，獲得良好的動態性能,還需引入交叉耦合項與前饋補償項，但這樣會導致系統的動態穩定性能受到擾動。在靜止坐標系下

PR控制器能夠對交流信號進行無靜差調節，不僅不存在耦合項及前饋補償項，而且魯棒性好，還能夠提高逆變器的輸出電能質量，實現低次諧波補償。式(3)為PR調節器的傳遞函數[4]

(3)

其中ω0為基波角頻率，kp為比例增益，ki為振蕩項增益。

在實際應用中，當電網電壓受到擾動，產生非諧振頻率時，由于其振蕩項增益ki值太低，對電網中的諧波抑制效果不好。基于上述缺點，在PR控制器的基礎上做出了一些改進，提出了一種準PR控制器——QPR控制器，其傳遞函數

(4)

準PR控制器用于并網控制時，ω0是恒定不變的，所以只需確定kp、kr和ω0三個參數。其控制框圖見圖2。

圖2 基于兩相靜止坐標系的控制策略

3 仿真結果與分析

根據前面的理論分析，利用MATLAB/SIMULINK仿真軟件，對光伏發電并網裝置中的逆變部分進行仿真。為了避免系統復雜、仿真耗時過長等問題，仿真模型中的電網和多個微電源全部由理想電壓源代替，負載由電阻等效。由圖3可知，光伏并網發電系統的輸出電壓、電流波形比較光滑，諧波成份含量低，是標準的正弦波，其頻率、相位與電網電壓一致，表明光伏發電系統的穩態性能較好，可以實現高功率因數并網。圖3所示為光伏并網發電系統的輸出電壓和電流波形。

圖3 光伏并網發電系統的輸出電壓和電流波形

圖4是電流為15A時公共母線上a相的電壓和電流的仿真波形。當光伏發電系統與市政電網并網運行穩定時，公共母線上a相電壓和電流波形見圖4，可知a相輸出電壓電流波形正常，由FFT分析可知基波分量占輸出電流總量的百分比較高，高次諧波含量較低，電壓諧波畸變率為2.53%，滿足并網的要求。光伏發電系統可以與市政電網聯網一起給負載供電，能較好地抑制并網電流的諧波含量。

圖4 公共母線上的a相的電壓和電流的仿真波形

當系統工作在穩定狀態，輸出電流為15A時，若負載在2.00s時間點突然發生改變，電流增加為20A，此時，太陽能微電網與市政電網各自輸出的電流動態響應波形見圖5。當負載突然變化時，其他電流也會相應地發生改變，分析圖5可知，光伏并網發電系統和市政電網在0.01s內就能調節并穩定電流，其動態響應性能很好。

圖5 負載突然變化時二者輸出電流動態響應波形

圖6為逆變器在兩相靜止坐標系αβ下采用QPR控制器的控制仿真波形。從圖6中可以看出，在αβ坐標系下的仿真波形電壓諧波畸變率為2.71%，諧波含量較小，驗證了本文設計的PR控制器能使逆變器側輸出高品質的電流，提高系統的性能,適合應用于三相光伏并網逆變器系統中。

綜合上述仿真實驗結果可知，采用QPR控制原理，能達到并網的要求。當系統負載突然變化時，運行過程中發生振動，太陽能微電網與市政電力能夠很好地協調運行，保證系統運行穩定，完全滿足聯網運行的條件。

圖6 基于αβ坐標系下的a相電壓仿真波形

4 結語

通過分析三相橋式并網逆變器的工作原理以及并網逆變器的控制策略[6]，建立了其數學模型，在αβ兩相靜止坐標系下采用QPR控制器的控制算法，對逆變器的主電路進行分析。從逆變器的控制方式、逆變器的控制模型方面對逆變器進行了分析，確定了并網逆變器控制策略。

[1] 吳春華，陳國呈，丁海洋，等．一種新型光伏并網逆變器控制策略[J]．中國電機工程學報，2007，27：103-107．

[2] 劉 飛，徐鵬威，陳國強,等．基于LCL濾波器的三相光伏并網控制系統研究[J]．太陽能學報，2008，29(08)：965-971．

[3] 彭 飛，張立偉，牛迎標，等.基于PR控制的三相光伏發電并網逆變器研究[J].科學技術與工程，2012，12(14)：1-2.

[4] 鄭詩程，劉偉.光伏并網發電系統及其控制策略的研究與仿真[J].系統仿真學報，2009,21(19)：4-5.

[5]KroposkB,LasseteR,IsT,etal.Makingmicro-gridswork[J].IEEEPowerandEnergyMagazine, 2008,6(03): 40-53.

[6] 趙 杰.光伏發電并網系統的相關技術研究[D].天津：天津大學,2012:12-57

[7]ChenC，WangY，LaiJ，etal．Designofparallelinvertersforsmoothmodetransfermicro-gridapplications[J]．IEEETrans.onPowerElectronics，2010，25(01)：6-15.

[責任編校： 張巖芳]

The Control Strategy of Three-Phase Photovoltaic Grid-connected Inverters Based on Quasi-PR Control

LIU Qianli，GONG Li, ZHANG Xiaohua

(SchoolofElectrical&ElectronicEngin. ,HubeiUniv.OfTech. ,Wuhan430068,China)

In the process of PV Grid, in order not to affect the quality of power grid from the coupling of photovoltaic power generation systems, this paper proposed a simpler three-phase grid inverter control strategy. The mathematical model of three-phase grid inverter was built in the two-phase stationary coordinates using MATLAB/SIMULINK. Then we adopted the outer ring for the power and the inner for the current loop, and chose quasi proportional resonant (PR) controller to realize the grid current control. We finally obtained the three-phase grid inverter control system. Through the simulation experiment, the feasibility of this method was proved.

Photovoltaic grid-connected; inverter; Quasi-PR controller; Simulink model

2014-08-14

劉倩麗(1989-)， 女， 湖北監利人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為電氣工程

1003-4684(2015)01-0012-03

TM434，TM914

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