兩級式光伏并網發電系統功率變換控制研究

王要強　謝海霞　張美玲　馬小勇

（鄭州大學電氣工程學院，河南　鄭州　450001）

兩級式光伏并網發電系統功率變換控制研究

王要強謝海霞張美玲馬小勇

（鄭州大學電氣工程學院，河南鄭州450001）

本文以光伏并網發電系統為研究對象，研究其中的功率變換拓撲、最大功率跟蹤和并網逆變控制策略。仿真結果表明，系統可以跟蹤光伏陣列環境條件的變化，準確追蹤最大功率點，并且并網電流與電網電壓保持同頻同相，以單位功率因數向電網輸送電能。

兩級式；光伏發電；并網逆變；功率變換

太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的自然資源，其開發利用對于促進能源的可持續發展，緩解人類對能源需求的激增和生態環境的保護具有重要的意義［1，2］。

并網發電是太陽能開發利用的一種重要形式，近年來得到了國內外專家、學者的廣泛關注［3-5］。但是，太陽能作為一種自然能源，受光照、溫度等外部環境因素的影響較大［6，7］。因此，如何保證發出的電能能夠滿足并網規范的要求，而且最大限度、穩定地輸送到電網是光伏發電系統的關鍵內容［8］。

本文以光伏并網發電系統為研究對象，著重圍繞其中的電路拓撲、最大功率跟蹤和并網控制策略展開，并通過MATLAB對系統進行仿真驗證，研究的內容和得到的結論對于光伏并網發電技術的發展具有重要的理論意義和參考價值。

1　系統結構

圖1為兩級式光伏并網發電系統的拓撲結構示意圖，其中，圖1a為系統總體結構。第一級為Boost升壓變換器，由電感Ldc、功率管V0和二極管VD組成，如圖1b所示，連接光伏陣列和后級變換單元，完成光伏陣列直流輸出電壓的抬升和最大功率跟蹤功能。第二級為DC/AC并網逆變拓撲，采用三相全控半橋結構，如圖1c所示，連接前級升壓變換單元與三相交流電網，將直流變換為工頻的交流電，通過三相電感以電流的形式注入電網。

假定三相并網電感參數一致，電網電壓平衡，并忽略功率橋路中的寄生參數因素，可以得到兩相同步旋轉坐標系下的并網逆變器數學模型為：

式（1）中，L為并網濾波電感；ω為電網電壓角頻率；id、iq為并網電流在d、q軸上的分量；sd、sq為開關函數的d、q軸表示形式。

圖1　兩級式光伏并網發電系統拓撲

2　最大功率跟蹤

為盡可能地發揮光伏陣列的發電效能，在Boost升壓環節的控制器中加入最大功率跟蹤環節，以使系統能最大限度地向電網輸送電能。

圖2為基于電導增量法的最大功率跟蹤算法流程圖。圖2中，U（k）、I（k）分別為k時刻光伏陣列電壓、電流采樣值；U（k-1）、I（k-1）分別為（k-1）時刻的電壓、電流值；?U為電壓調整步長。

3　并網逆變策略

三相靜止坐標系下的直接電流控制策略物理概念清晰，并且在單相與三相并網逆變中均適用，但指令電流為具有一定頻率、幅值和相角的正弦時變信號，不利于控制系統的設計，且不易實現并網電流的無靜差控制。

圖2　電導增量最大功率跟蹤算法

相比之下，兩相同步旋轉坐標系下的直接電流控制策略的指令電流為直流時不變信號，可以實現并網電流的無靜差控制，同時能夠對無功和有功電流進行獨立控制，便于注入電網有功能量和無功能量的解耦控制。

圖3為兩相同步旋轉坐標系下并網逆變控制策略的基本框圖，主要包括以下幾個部分：①參考給定，直流電壓給定和q軸電流給定；②反饋測量，直流電壓udc，三相電網電壓ea、eb、ec和三相并網電流ia、ib、ic；③調節器，電壓外環和電流內環中的調節器，在此均采用PI環節；④坐標變換，三相并網電流clark、park變換和逆變器輸出電壓指令的park反變換；⑤PWM調制，將雙環控制的輸出量，即逆變器輸出電壓在兩相靜止坐標系下的參考信號，通過SVPWM模塊轉換成6路合適的PWM控制信號，驅動功率橋路；⑦同步鎖相，采樣得到的三相電網電壓送入同步鎖相環節PLL，得到電網電壓同步角θ。

以直流電壓外環的輸出信號為有功并網電流的給定信號，無功并網電流的給定信號設置為0，給定電流與實際電流相比較后，送入PI電流調節器，電流調節器的輸出加入解耦環節和電網電壓前饋環節后，為兩相同步旋轉坐標系下的并網逆變器交流輸出電壓參考信號，經過park反變換后送入SVPWM模塊，然后產生驅動功率橋路的PWM信號。

圖3　并網逆變控制策略原理框圖

4　仿真結果與分析

為驗證光伏并網發電系統功率變換拓撲及其控制策略的正確性和有效性，在MATLAB/simulink環境下搭建系統的仿真模型，進行仿真研究。仿真中，光伏陣列的短路電流為3.45A，開路電壓為43.50V，最大功率點電流為3.15A，最大功率點電壓為35.00V。設定溫度在0～0.1s為25℃，0.1～0.2s驟降至0℃，0.2～0.3s又突增至25℃。

圖4為基于電導增量最大功率跟蹤算法的仿真結果。由圖4可以看出，系統在光伏陣列外部溫度發生突變時，光伏電池輸出功率能夠隨著光伏電池輸出電壓、電流的變化而變化，第一突變階段在0.02s時達到光伏陣列的最大功率點，并可以穩定地以最大功率向網側功率變換單元輸送能量。

圖4　最大功率跟蹤算法的仿真輸出曲線

設定并網逆變環節的開關頻率為10kHz，電網電壓幅值為311V，電網電壓頻率為50Hz，直流母線電壓為550V。圖5為電網電壓和并網電流的對比仿真波形。由圖5可以看出，并網電流變化平滑，正弦度好，且與電網電壓保持同頻、同相，能夠以單位功率因數向電網輸送電能。

圖5　并網電流和電網電壓

5　結論

本文以兩級式光伏并網發電系統為研究對象，對其中的電路拓撲、最大功率跟蹤和并網逆變控制等關鍵環節進行了研究，并對研究內容進行了仿真驗證。結果表明，系統可以跟蹤光伏陣列環境條件的變化，能夠準確追蹤最大功率點，以最大功率向電網輸送電能，并且并網電流與電網電壓保持同頻同相，功率因數高。本研究結果可以為光伏發電領域的理論發展及其在工程實踐中的應用提供借鑒與參考。

［1］張世坤，許曉光.我國當前的能源問題及未來能源發展戰略［J］.能源研究與信息，2004（4）：211-219.

［2］徐良才，郭英海.淺談中國主要能源利用現狀及未來能源發展趨勢［J］.能源技術與管理，2010（3）：155-157.

［3］N L Panwar，S C Kaushik，S Kothari.Role of Renewable Energy Sources in Environmental Protection：A Review［J］.Renewable&Sustainable Energy Reviews，2011（3）：1513-1524.

［4］羅宇強，譚建成，董國慶.級聯式光伏電站直流并網拓撲及其控制策略［J］.電力系統保護與控制，2016（13）：14-19.

［5］余暢舟，張興，劉芳，等.組串式LC型光伏逆變器并網諧波環流及其抑制策略分析［J］.電力系統自動化，2016（13）：77-84.

［6］王要強，王思謹，蔣建東，等.光伏發電系統輸出功率特性分析及其平滑控制研究［J］.太陽能學報，2016（4）：847-852.

［7］陳煒，艾欣，吳濤，等.光伏并網發電系統對電網的影響研究綜述［J］.電力自動化設備，2013（2）：26-39.

［8］A Zahedi.A Review of Drivers，Benefits，and Challenges in Integrating Renewable Energy Sources into Electricity Grid［J］. Renewable&Sustainable Energy Reviews，2011（9）：4775-4779.

Power Conversion Control of Two-stage PV Grid-connected Generation System

Wang YaoqiangXie HaixiaZhang MeilingMa Xiaoyong
（School of Electrical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Two-stage PV grid-connected generation system was taken as the research object，the power conversion topology，maximum power point tracking and grid connected inverter control strategy were investigated.Simulation results showed that，the system could track the variation of the PV array outer environment factors，and then track the maximum power point of PV array accurately，the grid current could be the same frequency and phase with the grid voltage，the electrical power was conveyed into grid with unit power factor.

two-stage；PV generation；grid-connected inverter；power conversion

TM615

A

1003-5168（2016）06-0144-03

2016-05-16

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。