光伏單相并網逆變器分析

蔣 強，何都益，張小英，楊濟豪

(樂山師范學院物理與電子工程學院，四川樂山614000)

光伏單相并網逆變器分析

蔣 強，何都益，張小英，楊濟豪

(樂山師范學院物理與電子工程學院，四川樂山614000)

針對光伏電池的固有特性，采用光伏電池輸出的直流電流作為并網逆變器控制的參考電流峰值，且參考電流的相位和頻率以電網瞬時相位和頻率為基準。引入了電網電壓前饋和濾波器電容電流反饋控制方法，實現了向電網輸出最多且穩定可靠的電能的目的。詳細分析了光伏電池最大功率跟蹤控制機理，并利用Matlab/Simulink軟件仿真驗證了并網電流控制系統根軌跡以及系統閉環極點。仿真結果表明：電路拓撲結構和控制方法確保了系統的穩定性和可行性。最后，通過實驗驗證了針對單相光伏系統設計的主電路拓撲結構及其控制方法的可行性。

光伏系統；單相逆變器；最大電流；LCL；電壓前饋補償

近年來光伏產業已由離網發電朝并網發電快速發展[1]。由于光伏陣列輸出的直流電壓隨著光照強度、環境溫度的變化而變化，且呈非線性關系變化[2-3]，根據光伏電池輸出的電壓功率曲線以及電壓電流曲線，在光伏電池輸出端需要增加一級DC/DC拓撲電路結構，該電路拓撲結構既控制最大功率輸出，同時又為下一級提供穩定的直流電壓。近十幾年來國內外的專家學者對光伏發電系統的各個環節進行了深入研究，在20世紀90年代很多相關文獻主要針對光伏電池輸出的最大功率跟蹤進行了分析和研究，而近年來主要對光伏并網逆變器進行了分析和研究。大多數文獻僅對并網逆變器自身的結構進行了分析，沒有把光伏系統整體結合起來研究。文獻[4-6]對逆變系統中LC或LCL濾波器進行了理論分析和研究，但沒有從整個光伏系統的角度去分析和研究其控制策略，然而光伏系統的研究必須理論結合工程應用進行研究。基于此，本文針對光伏系統中的PV電池、DC/DC和單相并網逆變器進行分析和研究[7]，基于小信號模型分析了并網電流、電網電壓和電容電流控制方法。通過理論分析和仿真實驗驗證了光伏系統中單相并網逆變器的穩定性、可靠性及可行性。

1 單相并網電路

單相并網逆變器控制原理圖如圖1所示，包括光伏電池、Boost DC/DC電路和逆變器橋及相應的控制器[1，8]。前級Boost電路通過調節占空比改變光伏陣列的輸出電壓，實現最大功率點電壓的跟蹤；后級逆變電路實現光伏電池最大功率的并網傳輸[9]。為了詳細地分析圖1，下面將分析其主電路各部分的工作原理及其控制方法。

圖1 單相并網逆變器控制原理圖

圖2是光伏系統的離網和并網方框圖，光伏電池在一定的光照下，其兩端呈現直流電壓，當外接負載時，向負載提供直流電流，從而向負載傳輸電能。在一定的光照和溫度的情況下，光伏電池的輸出功率與光伏電池端電壓的工作曲線為圖3。從圖中可知，此時，光伏電池輸出的端電壓在一定值時，光伏電池才能輸出最大功率。而要控制光伏電池的端電壓，只有用一個變換器電路來控制光伏電池的輸出電壓，而這個變換器是怎樣控制的，為什么能控制光伏電池輸出最大功率？沒有文獻介紹，甚至很多學者沒有認真思考過這個問題，只是引用文獻的拓撲電路進行分析，本文將從數學的角度分析其最大功率跟蹤的控制電路原理。

圖2 光伏系統方框圖

圖3 光伏電池的PV工作曲線

圖4為直流電源為負載提供電能的原理圖。假設光伏電池的端電壓為i，光伏電池的內電阻為i，x為負載電阻，可以求得光伏電池為負載提供的功率0。如式(1)所示，式(1)對x微分，從而可以求得輸出的最大功率滿足的條件如式(2)所示。從式(2)可知，只有當輸出電阻與光伏電池的內阻相等時，光伏電池才能向負載輸出最大的功率。

圖4 直流電源向負載提供電能原理圖

由圖4可知，當負載阻抗與光伏電池的阻抗相等時，光伏電池將向負載輸出最大功率，而外界的負載阻抗以及光伏電池的內阻抗是隨機的，因此就要在阻抗與光伏電池之間增加一個變換器，使光伏電池的內阻抗與負載阻抗相等。如圖1所示，增加一個Boost DC/DC變換器，該變換器既實現了最大功率跟蹤功能，又對光伏電池的輸出電壓進行了升壓。從圖1最大功率跟蹤Boost電路中可以得出式 (3)，假設Boost DC/DC變換器的開關器件為理想器件，因此輸入輸出功率相等，式(4)成立。由式(3)與式(4)相除可得式(5)，從式(5)中可以看出，改變Boost DC/DC變換器開關占空比就可以近似相等。因此，通過改變Boost DC/DC變換器開關管的占空比能使光伏電池輸出最大功率。

下面分析通過控制哪些參數能使光伏系統輸出穩定可靠的電能。根據圖1可以得到并網電流的控制框圖5。圖5中選擇電容電流c作為內環控制量，目的是為了消除輸出電流中開關頻率諧波電流分量，同時增加系統的穩定性[12]。

圖5 并網電流控制逆變器框圖

則并網電流控制逆變器的傳遞函數：

圖6 并網電流控制系統根軌跡(i=20)

系統的閉環極點圖如圖7所示，從圖中可以看出，系統是一個穩定的系統，說明了控制方案的可行性。

2 仿真分析

利用Matlab/Simulink仿真軟件對圖1單相光伏并網系統進行仿真分析，其仿真參數如表1[10]所示。在Boost-DC/DC電路中通過控制開關管占空比來實現輸出阻抗與光伏電池的內阻抗相等，從而控制光伏電池的端電壓為最大功率輸出的電壓值。在DC/AC并網逆變器控制中，逆變器控制的瞬時參考電流的相位與頻率與電網電壓的相位與頻率為參考值，其幅度以Boost-DC/DC變換器的直流電流值為參考電流的峰峰值。同時為了使并網系統能穩定可靠地運行，本文還引入了電網電壓前饋補償和電容電流反饋控制[11]。

圖7 系統閉環極點圖

表1 單相并網系統仿真參數

圖8是光照強度變化時并網逆變器的輸出電壓和并網電流的仿真波形。從圖中可知，該單相光伏并網系統能實時進行最大功率跟蹤，且并網電流的諧波小于5%，因此，達到了并網系統的要求，穩定性和可靠性高。

圖8 光照強度變化時逆變器并網輸出電壓和電流仿真波形

3 實驗驗證

針對以上的理論分析和仿真驗證，搭建了一臺2 kW光伏單相并網發電系統，主電路包括光伏電池、Boost DC/DC變換器、單相DC/AC變換器三個部分，實驗波形如圖9所示。圖9 (a)為光照變化時光伏電池的輸出直流電壓波形。圖9(b)為系統并網輸出的電壓和電流，系統可實現單位功率因數并網，向電網輸出有功功率。

圖9 光伏發電系統實驗波形

4 結論

本文針對光伏電池固有特性，將光伏電池輸出電壓、電流和功率與光伏并網逆變器當作一個整體作為研究對象，分析了最大功率跟蹤控制原理，采用最大功率跟蹤控制方法控制Boost-DC/DC電路的開關管占空比，從而跟蹤光伏電池輸出最大功率時的電池端電壓c。提出了用MPPT時光伏電池輸出的直流電流作為并網逆變器控制的參考電流的峰值，從而向電網輸出最大電能，參考電流的相位和頻率以電網瞬時相位和頻率為基準。同時為了確保并網逆變器向電網輸出穩定和可靠的電能，引入了電網電壓前饋和濾波器電容電流反饋控制的方法。本文詳細地分析了光伏電池最大功率跟蹤控制原理，并利用Matlab/Simulink對該系統進行了仿真，驗證了單相并網逆變系統各電路部分設計的可行性。最后搭建了一臺2 kW的實驗樣機，實驗表明了光伏并網的電壓與并網電流同相，能實時向電網輸出最大的有功功率。

[1]趙清林，郭小強，鄔偉揚.單相逆變器并網控制技術研究[J].中國電機工程學報，2007，27(16):60-64.

[2]張馳，張代潤.基于改進的變步長光伏并網系統MPPT控制策略研究[J].電測與儀表，2012,49(1):67-71.

[3]張安堂，張偉.一種光伏并網發電系統中的相位跟蹤技術[J].電測與儀表，2011,48(1):39-41.

[4]沈國橋，徐德鴻.LCL濾波并網逆變器的分裂電容法電流控制[J].中國電機工程學報，2008，28(18):36-41.

[5]曹太強，許建平，徐順剛.開關電源諧波的研究[J].電焊機，2007, 37(5):58-60.

[6]郭鵬，江智軍，胡煒.電流型光伏并網逆變器的關鍵技術研究[J].電測與儀表，2011,48(7):55-60.

[7]TWINING E,HOLMES D G.Grid current regulation of a three-phase voltage source inverter with an LCL input filter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2003,18(3):888-895.

[8]曹太強，許建平，徐順剛.一種新型單相光伏發電系統并網技術的實現[J].電力電子技術，2008,42(8):33-34.

[9]吳華波.基于擾動觀察法的最大功率跟蹤的實現[J].電測與儀表，2010,47(11):42-46.

[10]曹太強，許建平，祁強，等.單相光伏并網逆變器控制技術的研究[J].電力自動化設備，2012,32(5):133-136..

[11]孫章.光伏微網并網與能量管控平臺的研究[D].四川：西華大學，2013.

Study on single-phase photovoltaic grid-connected inverter

The Photovoltaic(-PV)grid inverter was analyzed,and the power transmission characteristics of photovoltaic cells with the photovoltaic grid inverter was combined to control the solar battery power transmission. Then a reference method of transient current was proposed,in which the photovoltaic battery power tracked and controled the maximum output current.This instantaneous exchange reference on the output current photovoltaic battery was the peak dc current,voltage phase and frequency of the instantaneous exchange was a reference current phase and frequency.At the same time,in order to ensure the stability and reliability of the connected inverter,the feed-forward control of grid voltage and the feedback control of the filter capacitance current were introduced.Finally,the feasibility of the proposed principle and control policy were verified through the simulation and experimental results.

the PV system;single-phase inverter;max-current;LCL;voltage feedword compensation

TM 464

A

1002-087 X(2015)10-2212-03

2015-03-24

樂山師范學院科研啟動項目(Z1253)

蔣強(1973—)，男，四川省人，博士，副教授，主要研究方向為電力自動化、智能控制、光伏發電等。