兩級式并網逆變器分時復合控制策略研究

房玲+章建峰+樊軼

摘 要： 針對光伏發電系統中的兩級式并網逆變器，采用了一種新型的分時復合控制策略。首先詳細分析了分時復合控制策略的基本工作原理，該方法可以使得前后兩級電路交替進行高頻開關工作，從而有利于減小損耗；在此基礎上，對分時復合控制策略下的入網電流控制環路進行小信號建模，并給出了相應的控制環路參數設計，以保證具有良好的穩態和動態性能；最后搭建了一臺1 kW實驗樣機并進行實驗驗證。實驗結果表明所采用分時復合控制策略的可行性和有效性。

關鍵詞： 兩級式； 并網逆變器； 分時復合控制； 電流控制

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）15?0112?05

Research on time?shared compound control strategy for two?stage grid?connected inverter

FANG Ling1， ZHANG Jianfeng1， FAN Yi2

（1. CSIC No. 704 Research Institute， Shanghai 200031， China； 2. NARI Technology Co.， Ltd.， Nanjing 211106， China）

Abstract： A novel time?shared compound control strategy is presented for two?stage grid?connected inverter in photovoltaic power generation system. The working principle of the strategy is analyzed in detail. This method can make the two stages work with high?frequency switching alternately， which is helpful to decrease power losses. On the basis of the method， the current control loop under time?shared compound control strategy is conducted small signal modeling. The parameter design of relevant control loops was presented to ensure better steady state performance and dynamic performance. The 1 kW experimental prototype was constructed and verified by experiments. The experimental results demonstrate that time?shared compound control strategy has feasibility and validity.

Keywords： two?stage； grid?connected inverter； time?shared compound control； current control

0 引 言

近年來，環境污染和能源短缺問題日益嚴重，可再生清潔能源的開發與利用得到越來越多的關注，太陽能由于其分布廣泛、方便直接利用等特點得到廣泛應用[1]。根據光伏發電系統與電網的關系，光伏發電系統可分為離網型和并網型兩類[2]。在并網型光伏發電系統中，并網逆變器作為能量變換的核心部分，對于入網電流質量、變換效率、系統成本以及安全性能等方面都具有重要的影響。在中、小功率等級系統中，兩級式并網逆變器以其拓撲簡單、效率高及造價低等優勢而被廣泛應用[3]。

就兩級式并網逆變器的控制而言，目前常見的控制策略主要有傳統型控制[4]和新型PCS（Power Conditioning System）控制[5]等。文獻[4]詳述了傳統型控制策略，其中前級實現最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT），后級實現并網電流控制。該控制方案通過母線電容實現前后兩級的控制解耦[5]，但較大的母線電容會增加系統的體積和重量。文獻[6]提出了一種新型PCS控制策略，該控制策略通過后級實現MPPT，不需要采樣光伏陣列的輸出電壓和電流，可以簡化采樣電路，但其控制系統較為復雜。文獻[7]針對兩級式并網逆變器提出了一種分時復合的控制策略，即在任意時刻，系統中開關管僅只有一部分進行高頻開關工作，另一部分處于工頻開關或者不工作的狀態。這種控制方法可以在一定程度上減小開關器件的損耗，有利于提高系統的整體效率。

為了實現光伏并網逆變系統高效運行，本文采用新型分時復合控制策略。文中詳細分析了分時復合控制策略的工作原理，并對該控制策略下的入網電流控制環路進行了詳細的建模分析與環路設計，最后通過一臺1 kW原理樣機進行實驗驗證。實驗結果表明，采用分時復合控制策略可以有效地實現并網電流的控制并提高并網逆變系統的效率。

1 分時復合控制策略原理

1.1 系統結構

圖1所示為分時復合控制并網逆變器拓撲結構圖，其由前級Boost斬波電路和后級全橋逆變電路兩部分構成。其中：[Lb，][Qc]和[Dc]構成Boost電路；[Q1～Q4]構成全橋逆變電路；[Cdc]為中間母線電容；[Lf]為并網濾波電感；[Db]為旁路二極管。

圖1 分時復合控制并網逆變器結構

1.2 分時復合控制工作原理

根據輸入直流電壓Vin與網側電壓絕對值[vAC]之間的關系，系統可以工作在“Boost”和“Buck”兩種模式。當[Vin

圖2 分時復合控制門極驅動時序圖

（1） “Buck”工作模式

當Vin>[vAC]時，系統工作在“Buck”模式，前級Boost電路被Db旁路，光伏陣列功率直接經過[Db]向后級傳輸。同時，后級全橋逆變電路采用單極性SPWM調制方式，調制出圖2中[AB]和[CD]兩段并網電流波形，其中功率管Q1（Q3）工作在工頻開關狀態、Q2（Q4）工作在高頻開關狀態，具體而言，即在電網電壓vAC的正半周，功率管Q1保持導通、Q2（Q3）保持關斷、Q4高頻開關；相反地，在電網電壓vAC的負半周，功率管Q3保持導通、Q1（Q4）保持關斷、Q2高頻開關。與傳統控制方法相比，在此階段內前級Boost電路的開關和導通損耗均不復存在，前級電路僅有旁路二極管[Db]的導通損耗，從而有利于系統效率的提高。

（2） “Boost”工作模式

當Vin<[vAC]時，系統工作在“Boost”模式，前級Boost電路中功率管Qc工作在高頻開關狀態，并調制產生圖2中BC段的并網電流波形；同時，后級全橋逆變電路中功率管Q1～Q4均工作在工頻開關狀態。具體而言，即在電網電壓vAC的正半周，功率管Q1（Q4）保持導通、Q2（Q3）保持關斷；相反地，在電網電壓[vAC]的負半周，功率管Q2（Q3）保持導通、Q1（Q4）保持關斷。因此，在“Boost”工作模式下，僅有Qc在高頻開關，從而可以極大地降低整個系統的開關損耗、提高系統效率。

由上述分析可知，相較于傳統控制方法而言，本文所采用的分時復合控制方法，可以使得前后兩級電路交替進行高頻工作，從而有利于減小開關損耗；同時，在“Boost”模式下前級電路的輸出電壓為部分正弦波，即不需要很大容量的母線電容來保證母線電壓的恒定，因此可以采用體積較小的薄膜電容代替電解電容。

2 分時復合控制策略下的并網電流控制

2.1 “Buck”工作模式環路分析與設計

在“Buck”工作模式下，不考慮[Db]時，圖1所示系統在一個開關周期內的等效電路如圖3所示，其中后級逆變電路采用單極性SPWM調制。

圖3 “Buck”工作模式下不考慮Db時的等效電路

根據圖3所示等效電路，采用狀態空間平面法列寫其狀態方程，同時利用拉普拉斯變換，可以得到[d（s）]到[iLf（s）]的傳遞函數：

[iLf（s）d（s）=s2CdcLbVc+s（CdcR1Vc-LbDiLf）+Vc-DR1iLfs3CdcLbL2+s2（CdcR1Lf+CdcLbR2）+s（Lf+CdcR1R2+LbD2）+R2+D2R1] （1）

求解式（1）中分子對應的方程可以得到兩個實部為正數的根，即存在兩個右半平面零點，此時系統為非最小相位系統。

若考慮Db，則系統在一個開關周期內的等效電路如圖4所示，同樣列寫狀態平均方程，可以得到此時[d（s）]到[iLf（s）]的傳遞函數為：

[iLf（s）d（s）=VinsLf+R2] （2）

由式（2）可知，此時系統為一階系統。因此，在“Buck”工作模式下，跨接的旁路二極管不僅可以減小損耗，還可以顯著簡化系統補償環節的設計。

圖4 “Buck”工作模式下考慮Db時的等效電路

圖5給出了“Buck”工作模式下的電流環控制框圖。其中：[Gbuckc（s）]為電流環補償環節；[GPWM=1Vm]為PWM環節傳遞函數；[Gbuck（s）]為式（2）所示的系統傳遞函數。同時，考慮到信號采樣存在且SPWM調制存在滯后，故需要增加相應的慣性環節。

按照典型I型系統設計補償環節，取[Tli=LfR2，]則可抵消傳遞函數的極點，增大系統相位裕度、提高系統穩定性。由此可得系統的開環傳遞函數：

[Gbucko（s）=Vin?GPWM?KlpLf?s?（1+Ts?s）] （3）

圖5 “Buck”工作模式下的簡化控制框圖

由式（3）可求得閉環傳遞函數為：

[Gbuckl（s）=ω2ns2+2ζωns+ω2n] （4）

式中：[ωn=Vin?GPWM?KlpTs?Lf；][ζ=12LTs?Vin?GPWM?Klp]。

根據二階系統最佳整定法[10]，選取系統阻尼比[ζ=]0.707，可以得到：

[Klp=Lf2Ts?Vin?GPWM] （5）

從而得到簡化后的電流環閉環傳遞函數為：

[Gil（s）=12Ts?s+1] （6）

式（6）表明，將“Buck”模式下的電流環按照典型I型系統設計之后，其閉環傳遞函數可以近似為一個慣性環節，即當開關頻率[fs]足夠高時，所對應慣性[Ts]越小，系統動態響應越快。

2.2 “Boost”工作模式環路分析與設計

“Boost”工作模式下系統在一個開關周期內的等效電路如圖6所示，同理可以得到[d（s）]到[iLf（s）]的傳遞函數，見式（7）：

由式（8）可以看出，在“Boost”工作模式下，采用間接電流控制方法時，系統傳遞函數不存在右半平面零點，從而有利于系統補償環節的設計。

圖7給出了“Boost”工作模式下的電流環控制框圖，其中，Gboostc（s）為電流環補償環節，選用PI調節器，[Gboostc（s）=K2p+K2is，][K2i=K2pT2i；][GPWM=1Vm]表示PWM環節傳遞函數，[Vm]為三角載波的幅值；[Gboost（s）]為“Boost”工作模式系統傳遞函數：

[Gboost（s）=iLb（s）d（s）] （9）

補償前，系統在[fp0=]6.19 Hz處存在一個極點，在[fp1，2=]1 kHz附近存在一對共軛極點。為了防止由共軛極點引起的諧振峰多次穿越0 dB線導致系統不穩定，選取截止頻率[fc=]2.5 kHz，并且滿足：

[Gboostc（fc）=1Gboosti（fc）] （10）

圖6 “Boost”工作模式等效電路

圖7 Boost”工作模式簡化控制框圖

同時，將補償環節的零點[fzc]放置在原系統的低頻極點處，以保證系統以-20 dB/dec穿越0 dB線：

[fzc=12π?T2i=fp0] （11）

補償前后的開環傳遞函數如圖8所示，補償后系統的直流增益較高，故系統的穩態誤差較??；開環傳遞函數的截止頻率為2.5 kHz，系統相角裕度為43°；高頻段以-40 dB/dec斜率下降，故系統抗高頻干擾能力強。由上述分析可知，經過補償后，“Boost”模式的電流環具有良好的動態和穩態性能。

圖8 “Boost”工作模式電流環幅頻、相頻特性

3 實驗分析

為驗證以上分析，搭建了1 kW并網逆變器樣機，進行了實驗研究，具體電路參數如表1所示。

表1 兩級式并網逆變器相關參數

[名稱＼&數值＼&名稱＼&數值＼&直流源電壓（Vin） /V＼&300＼&網側電壓（VAC） /V（rms）＼&220＼&輸入側電容（Cin） /mF＼&1.36＼&母線電容（Cdc） /μF＼&10＼&Boost電感（Lb） /mH＼&1.2＼&濾波電感（Lf） /mH（×2）＼&1.5＼&開關頻率（fs） /kHz＼&20＼&并網功率（Po） /kW＼&1＼&功率器件 Qc，Dc，Q1～Q4，D1～D4＼&FZ06BIA045FH

集成模塊＼&數字控制

芯片DSP＼&TMS320?

F2808＼&]

圖9～圖11分別給出了分時復合控制下的各功率管驅動波形、Boost電感電流波形[iLb、]母線電容電壓波形Vbus以及逆變橋臂中點電壓波形VAB。由圖中實驗波形可以看出，系統工作于“Boost”模式時，并網電流由Boost部分高頻斬波生成，并且橋臂間電壓和母線電容電壓分別為并網電壓及其絕對值；系統工作于“Buck”模式時，后級全橋電路進行單極性SPWM調制，輸入側能量由Boost部分的旁路二極管向網側傳輸。因此，對應Boost電感電流值為0，母線電容電壓即為逆變系統輸入電壓150 V，橋臂間電壓為高頻切換的矩形波。

圖9 功率管驅動電壓實驗波形

圖10 輸入電感電流及母線電壓實驗波形

圖12所示為分時復合控制下的逆變器并網電壓和并網電流實驗波形。由圖中波形可以看出，并網電流[ig]和電網電壓[vg]能夠保持相位一致，并網質量良好；同時，“Buck”和“Boost”兩種工作模式平滑切換，在切換點處并網電流振蕩幅度較小。

圖11 橋臂間電壓及輸入電感電流實驗波形

圖12 分時復合控制下并網電壓、電流實驗波形

上述實驗波形與理論分析結果一致，表明了本文分時復合控制策略的可行性和有效性。

在輸入電壓為150 V時，逆變器效率隨并網功率變化的曲線如圖13所示。作為對比，圖13中同時給出了傳統控制方式下效率曲線。由圖中結果可知，在分時復合控制策略下，逆變器在整個負載范圍內達到了較高的效率，最高效率約為96.8%，且整體效率優于傳統控制方式。

圖13 效率曲線

4 結 論

詳細分析了一種應用于兩級式并網逆變器的新型分時復合控制策略，理論分析和實驗結果表明：分時復合控制下前后兩級電路交替進行高頻工作，從而有利于減小開關損耗；母線電壓不需要穩壓，可以有效減小母線電容；“Boost”和“Buck”兩種工作模式之間可以自由平滑切換，并網電流質量良好；分時復合控制下系統可以獲得較高的效率，且整體效率優于傳統控制方式。

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