離網型三相光伏逆變器控制策略研究

王要強　謝海霞　曹　沖　王曉亮

（鄭州大學電氣工程學院，河南　鄭州　450001）

離網型三相光伏逆變器控制策略研究

王要強謝海霞曹沖王曉亮

（鄭州大學電氣工程學院，河南鄭州450001）

以離網型三相光伏發電系統為研究對象，研究其輸出逆變環節的拓撲結構和控制策略。逆變器主電路采用三相半橋拓撲，輸出濾波器取三相星形LC結構，控制策略以輸出電壓峰值作為閉環變量。仿真和實驗結果表明，系統三相輸出電壓變化平滑且穩定對稱，其幅值和頻率能夠準確跟蹤其給定值。

光伏發電；離網型；逆變器；控制策略

隨著煤、石油等化石能源的日漸枯竭與人類生存環境的不斷惡化，太陽能、風能等可再生自然資源的開發利用近年來得到了國內外的普遍重視［1-3］，許多國家已作出大規模推廣太陽能等可再生能源開發利用的決策和規劃［4-6］。

光伏發電是太陽能開發利用的主要形式之一［7］，光伏發電系統按照是否與電網連接可以分為并網型［8-9］和離網型［10-11］兩大類。其中，離網型光伏發電系統可以獨立運行，為負載提供穩定的直、交流電壓。在距離電網較遠的偏僻山區、無電區、海島、通訊基站和路燈等場所，離網型光伏發電系統具有重要的理論意義和工程應用價值。

電力電子功率變換單元作為光伏電池陣列與用戶負載的接口單元，是實現光伏發電系統的核心［12-13］。其中，逆變環節連接系統的直流母線和交流母線，實現直流-交流變換，并且逆變器作為直接面對用戶負載的輸出單元，其工作性能直接會影響到系統的供電質量，是發電系統功率變換的關鍵。

本文以離網型光伏發電系統的輸出逆變單元為研究對象，首先分析其電路拓撲與數學模型，然后研究光伏逆變器的控制策略，最后通過仿真和實驗驗證研究內容的正確性與有效性。

1　系統結構

離網型光伏發電系統的基本結構如圖1所示，由光伏陣列、升壓斬波器、充放電變換器、儲能單元和逆變器等部分組成。光伏陣列由太陽能電池組件構成；升壓斬波器一般由Boost電路構成，完成最大功率跟蹤和升壓功能；充放電變換器為雙向變換器，和儲能單元合起來完成能量緩沖。

圖1　離網型光伏發電系統結構框圖

逆變器連接系統的直流母線和交流母線，實現DC/ AC變換，并且作為直接面對用戶負載的輸出單元，其工作性能直接影響到系統的供電質量，是系統功率變換的關鍵。逆變環節一般采用半橋電路拓撲，交流輸出側通過濾波器與三相負載相連，如圖2所示。三相半橋拓撲的功率器件由IGBT（V1-V6）和與之反并聯的電力二極管（VD1-VD6）組成。

圖2　三相電壓型逆變拓撲

圖3為輸出濾波環節的示意圖，采用LC低通濾波器，由三相平波電感和濾波電容通過星形接法構成，連接逆變器三相橋路輸出端與三相負載端。圖中，uU、uV、uW表示逆變器輸出電壓；ua、ub、uc表示負載端電壓，也為系統輸出電壓。

圖3　三相LC輸出濾波器

2　數學模擬

假定圖2所示的逆變器主電路三相平衡，濾波電感均為L，濾波電容均為C，功率器件和濾波器電感的寄生電阻等效為r。由電壓、電流基爾霍夫定律（KVL、KCL），可以得到三相光伏逆變器的電壓方程和電流方程分別為：

式（1）（2）中，ia、ib、ic分別為流過三相濾波電感的電流，ioa、iob、ioc分別為流過三相負載的電流。

由公式（1）（2）可以看出，逆變器交流側電壓、電流三相之間沒有耦合關系，是相互獨立的。因此，這里只繪制出三相靜止坐標系下電壓型逆變器的a相電路模型框圖，如圖4所示。由此可得，在控制策略上，可以對三相逆變器的三相輸出電壓分別采用三相相互獨立的控制策略。

圖4　逆變器a相模型框圖

3　控制策略

離網型光伏逆變器三相輸出電壓為交流信號，直接對交流信號進行控制很難實現輸出幅值、相位的無靜差控制。在類似應用場合通常采用增加硬件有效值計算模塊的方法，對三相輸出電壓有效值進行閉環控制。在此，為節約系統成本，降低硬件系統的復雜性，提高系統可靠性，通過坐標變換，采用純軟件的方法計算輸出電壓的峰值，并以交流輸出電壓峰值作為外環調節變量進行閉環控制。

圖5為逆變器閉環控制策略的原理結構圖，包括輸出電壓采集電路、電感電流采集電路、輸出電壓峰值計算模塊、電壓峰值PI閉環調節器、交流電壓給定生成模塊以及PWM波形生成模塊和開關管驅動模塊。在實際工作中，采集輸出電壓，經過峰值計算模塊，獲得實際的

輸出電壓峰值，再與給定的峰值做差，其結果經過PI調節器后傳送到三相交流輸出電壓給定信號生成模塊。在這一模塊中，PI調節器的輸出信號UPIO與三相標準正弦波信號相乘，其結果再與電感壓降jω1Li相減，如公式（3）所示，獲得逆變器a相輸出電壓的調制波信號u*cona。其他兩相輸出電壓的參考信號可以通過公式（3）類比得出。

式（3）中，ω1表示輸出電壓的角頻率。

PWM波形生成電路中，逆變器輸出電壓調制波信號u*con與三角波相比較，其輸出取反后，經過開關管驅動電路傳送給逆變器的對應的功率開關管，用于控制其導通與關斷。

圖5　逆變器閉環控制策略原理框圖

圖6　PI調節器原理框圖

圖6為電壓峰值PI閉環調節器的原理框圖，參考給定信號u*（t）與采集到的反饋信號u（t）做差后，得到誤差信號e（t），然后經比例、積分環節后，作用到被控對象上，從而得到輸出信號u（t）。

輸出信號u（t）與誤差信號e（t）之間的表達式為

式（4）中，Kp為比例系數；Ki為積分系數；e（t）為變量給定值與反饋值的偏差，有：

為避免電流調節器進入飽和狀態，保證調節器的線性調節作用，在此，在傳統PI調節器的基礎上加入退飽和函數，以改善電壓峰值調節器工作過程的線性度，加快系統的響應時間。

取退飽和函數sat（x）為：

式（6）中，k、r為正實數；x取為公式（4）傳統PI調節器，即有：

從而得到改進后的PI調節器表達式為：

4　仿真結果與分析

為驗證離網型三相光伏逆變控制策略的正確性與有效性，在MATLAB/SIMULINK環境下搭建系統仿真模型，進行仿真研究。仿真參數如表1所示。

表1　仿真參數

圖7為按照圖5所示的控制策略，得到的三相光伏逆變器輸出電壓測量值的仿真波形。由圖7可以看出，系統三相輸出電壓變化平滑，平衡穩定，其幅值和頻率能夠跟蹤其給定值。

以TI數字信號處理器TMS320F2812為主控芯片，三菱功率模塊PM75RLA120為橋路單元，其他參數與表1所示的仿真參數保持一致，搭建離網型三相光伏逆變器實驗平臺，進行實驗研究。圖8為得到的系統三相輸出電壓實驗波形，由圖8可以看出，三相電壓穩定對稱，能夠跟蹤其給定值。

5　結論

本文以離網型三相光伏發電系統為研究對象，主要研究了其輸出逆變環節的拓撲結構和控制策略，并對研究內容的正確性和有效性進行了仿真和實驗驗證。結果表明，系統三相輸出電壓穩定平衡，且其幅值和頻率能夠準確跟蹤其給定值。研究結果對于離網型光伏發電領域的理論發展具有重要的指導意義，也可以為其工程應用提供借鑒和參考。

圖7　系統三相輸出電壓仿真波形

圖8　系統三相輸出電壓實驗波形

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Control Strategy of Three-phase Stand-alone Photovoltaic Inverter

Wang YaoqiangXie HaixiaCao ChongWang Xiaoliang
（School of Electrical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

In this paper，three-phase stand-alone photovoltaic generation system was taken as the research object，the output inverter topology and control strategy were investigated.Three-phase half-bridge topology was adopted as the inverter main circuit，Y connected LC structure was selected in the output filter，and the output voltage peak value was chosen as the closed-loop feedback variable.Simulation and experimental results showed that，the threephase output voltages varied smoothly，keep stable and balanced，and its amplitude and frequency could track the

ignal accurately.

photovoltaic generation；stand-alone；inverter；control strategy

TM615

A

1003-5168（2016）07-0132-04

2016-06-16

國家自然科學基金（51507155）；中國博士后科學基金（2013M541990）；河南省基礎與前沿技術研究計劃項目（152300410046）；河南省教育廳科學技術研究重點項目（14A470002）；河南省產學研合作項目（142107000060）；鄭州大學專業學位研究生教學案例項目（YJSAL201507）。

王要強（1982-），男，博士，研究方向：新能源發電、電力控制與傳動技術。