光伏發電并網系統逆變器瞬時值控制方案的仿真研究

王青林，陳宏濤（遼寧省交通高等專科學校，沈陽　110122）

光伏發電并網系統逆變器瞬時值控制方案的仿真研究

王青林，陳宏濤
（遼寧省交通高等專科學校，沈陽110122）

光伏并網發電系統中逆變器輸出波形控制是關鍵技術，本文介紹了兩種瞬時值控制的電壓電流雙閉環SPWM逆變器方案，一種基于電感電流反饋，另一種基于電容電流反饋。對所設計的系統進行了較詳細的理論分析，并建立了數學模型。在此基礎上利用MATLAB/SIMULINK搭建了該系統的仿真模型，并在該仿真模型上進行仿真研究。仿真結果驗證了采用基于電容電流反饋的雙環瞬時值控制的SPWM逆變器具有波形正弦度好、動態響應速度快、控制精度高和適應負載能力強等特點。

電力電子；逆變器；瞬時值控制；電容電流反饋；輸出電壓環

隨著傳統的石化能源存量日益減少和人類渴求低碳環保的生存環境，可再生能源的研究和使用提上日程，如風能、太陽能等資源。具有存量大、清潔等特點的太陽能備受關注，成為最具有潛力應用的新能源之一。光伏發電具有免維護、無噪聲等優點，但光伏發電系統存在一些不足，最突出的就是發電效率低（9%～16%），且光伏電池的輸出功率與光照強度、環境溫度等因素有關［1］。為適應各種不同性質負載的要求和與電網的同步，光伏發電系統逆變器輸出波形要求是同頻、同幅值、同相位的波形，當前常用的有電壓瞬時值反饋、無差拍控制［2］和重復控制［3］等方案，但都是單閉環控制技術。因此這些控制方案只能解決一部分問題，實際應用中使得系統有更好的動態與靜態性能，一般采用雙閉環瞬時值控制方案，即采用電感電流反饋的雙閉環控制和采用電容電流反饋的雙閉環控制［4］。采用電感電流反饋的雙閉環控制具有較強的抗短路能力，負載適應能力差，調節特性差；而電容電流反饋的雙閉環控制負載匹配性強，控制精度高。

1　單相逆變器狀態模型

本文采用一種具有固定開關頻率的瞬時值控制技術，其主要控制思路是：電壓基準值與輸出反饋電壓經過電壓調節器（PI）處理后作為控制電流的基準，電流基準和反饋電流的差經過比例放大后與三角載波交截，導出正弦脈寬調制（SPWM）信號來控制功率器件的關斷與導通，以確保輸出電壓波形穩定性。

圖1是雙閉環瞬時值控制SPWM逆變器原理框圖。其中，取至電感電流iL就是電感電流內環反饋；

取至電容電流iC就是電容電流內環反饋。

根據分析可知，對SPWM逆變器進行線性化處理后得到如圖2所示的等效模型。

2　系統性能分析

由于電網中的負荷是多變的不確定的，導致逆變器的負載也是變動的，這樣可以把負載電流io可看作是對電容電流環的擾動輸入。因此在分析系統開環特性時，io及Δud影響很小，由圖2，考慮到iL=io+iC可以得到電感電流反饋閉環控制系統傳遞函數為：

其中：A1=KikPWMKPIτPI；A0=KikPWM；

B0=KiKvfkPWMKlf是電感電流反饋系數

下面是采用濾波電容電流反饋的閉環傳遞函數：

其中：A1；A0；B3；B0與式（1）相同；

Kcf是電容電流反饋系數。

2.1穩定性分析

設K1f=Kcf=Kif

對于式（1）、（2）式根據勞斯穩定判據可知電容電流反饋在穩定方面較電感電流反饋要求高點。

2.2系統外特性分析

設逆變器帶負載R時的靜態誤差定義為：

由上式可知δ越大系統外特性越軟，即τPI越大濾波電容C越大，則Kδ越小δ越大外特性越軟，因此采用電容電流反饋時的外特性比采用電感電流反饋的硬。

2.3電流誤差變化率與開關頻率的分析

電流跟蹤速度是由電流誤差變化率表征，鑒于固定開關頻率的電流瞬時值控制，由電流誤差作為調制波與三角載波進行交截，并且要求三角波斜率大于電流誤差變化率，否則就會發生重復交截現象，這樣開關失控因此必須避免重復交截現象。對于電容電流反饋而言則有：當Ki過大時容易發生多次相交現象，故Ki不能取得過大。

電容電流只反映輸出電壓的變化，其上的電流是正弦波，能有效減小諧波誤差環流，那么采用電容電流反饋的系統具有更好的負載適應能力。

3　仿真驗證

本文利用MATLAB/SIMULIK軟件工具建立系統仿真模型，仿真用參數：開關頻率：fs=10kHz，UDC=400V，Kvf=0.05，Kif=0.15，濾波電感L=1.5mH，濾波電容C=30μF。在系統參數設置一樣的情況下，采用電感電流和電容電流做為反饋量對系統進行仿真波形如下：圖3是電感電流反饋控制系統突加阻性負載（t=0.02s）電壓電流波形圖，圖4是電感電流反饋控制系統帶非線性負載的仿真波形圖，圖5是電容電流反饋控制系統突加阻性負載（t=0.02s）電壓電流仿真波形圖，圖6是電容電流反饋控制系統帶非線性類負載仿真波形。

通過上面的仿真波形，可以從圖3與圖5的比較可以看出同樣的系統參數情況下，采用電容電流反饋控制系統的外特性硬，從圖4與圖6的比較可以得出在負載為非線性整流負載時采用電感電流反饋控制時負載電壓電流畸變很大電壓降落也較大，而采用電容電流反饋控制時電壓波形正弦度好，降落小負載電流畸變也較采用電感電流反饋控制小。

4　結論

本文通過選取反饋量不同的瞬時值控制中研究給出了兩種控制方案的開關頻率，穩定性外特性非線性負載分析的定量關系式得出電容電流反饋外特性硬，非線性負載能力強是綜合性能較優的瞬時值控制方案，由于電容電流反饋技術方案能夠反映負載電壓的變化率，所以電容電流反饋技術方案具有更好的適應非線性負載的能力，是綜合性能較優的電流瞬時值控制方案。

［1］高厚磊，田佳等.能源開發新技術—分布式發電［J］.山東大學學報：工程版，2009，39（05）：107-108.

［2］Guo W N，Duan S X，Sun X J，et al.A modified deadbeat control for single-phase voltage-source PWM inverters based on asymmetric regular sample［C］.IEEE PSEC，2001（02）：962-967.

［3］孫雪娟，王荊江，彭力等.基于內模原理的三相電壓源逆變源的波形控制技術［J］.中國電機工程學報，2003，23（07）：67-70.

［4］Wu H Y，Dong L，Zhang D H，et.al.A current-mode control technique with instantaneous inductor-current feedback for UPS inverter［C］.IEEE-APEC’99，1999：951-957.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.148

王青林（1975-），男，山西大同人，碩士，主要從事電力傳動方面的應用。