基于光儲直流微網逆變器的研究

陳景文， 張 蓉， 張 東， 周 鑫, 孟彥京

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

基于光儲直流微網逆變器的研究

陳景文， 張 蓉， 張 東， 周 鑫, 孟彥京

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

隨著微電網的應用越來越廣泛，其主體設備并網變流器的研究已成為核心關注點.針對微網的特點，本文設計了一種基于三點比較跟蹤法和SVPWM技術的三相微網逆變器.分析了逆變器工作原理和結構，并就微網逆變器MPPT算法和SVPWM的實現進行詳細設計.在此基礎上，建立了基于SVPWM的微電網逆變器模型，仿真并搭建實驗平臺驗證所采用的MPPT和SVPWM方法的有效性.仿真和實驗結果表明，相比傳統的逆變器控制方法，本文的方法能夠更好地實現微網電能的傳輸效果.

微電網； MPPT； SVPWM； 逆變器

0 引言

微電網是一種將分布式電源、負荷、儲能裝置、變流器以及監控保護裝置有機整合在一起的小型發配電系統[1].在微電網的結構中，以光伏發電為分布式能源輔以儲能的直流微電網以其受地域限制較小和結構簡單的優勢得到廣泛的使用[2，3].在微電網工作過程中，決定輸出電能質量好壞的核心設備是逆變器[4].并網逆變器作為微電網與電網之間的能量變換接口裝置，系統的控制目標在微網側實現光伏發電的最大功率點跟蹤控制(MPPT)，在并網側使逆變器的輸出電壓、電流與電網的電壓、電流達到幅值、相位、頻率相同，實現可靠并網的控制目的.

由于其重要性，近年來眾多科研機構和企業都對逆變器進行了研究，目前主流的控制方法以SPWM為主，系統能夠滿足工程一般要求，但電能轉換效率和控制精度一般，基于此種情況，本文提出一種在三點比較跟蹤法指導下基于SVPWM的三相微網并網逆變器的控制策略，將其應用于直流微網系統，通過MPPT算法控制逆變器跟蹤微網中分布式能源的輸出狀態，利用升壓斬波電路對直流電進行升壓后再經過SVPWM方法控制逆變器并網輸出，實現電能并網的目的.在此設計思路的基礎上，搭建數學模型和實驗平臺，仿真并實驗驗證此方法的有效性.

1 微網系統結構

本文研究的光儲直流微網結構如圖 1 所示.其系統主要包含：電網、分布式電源(光伏+儲能)、直流側帶有DC-DC升壓電路的逆變器、濾波電路及控制器等.微網并網逆變系統的目的是將分布式能源所發的直流電轉化為交流電的形式注入電網，達到的結果是實現單位功率因數向電網輸送有功電能.

圖1中光伏發電與儲能對系統提供直流電；采用最大功率點跟蹤以及SVPWM對逆變器進行控制，將所提供的直流電逆變為交流電，其中的DC-DC升壓斬波(boost)電路實現輸入直流電的升壓變換可適應逆變器直流側低電壓輸入的情況；經過LC濾波后進行并網或給負載供電.

圖1 光儲直流微網結構框圖

2 逆變器系統結構和控制實現

直流微網并網逆變器結構圖如圖2所示.將實際系統中的光伏陣列轉換的電能供給逆變電路，電路的具體工作過程：分布式能源發的直流電，通過穩壓電容進行穩壓后，將測量到的直流側的電壓(u)與電流(i)信號送給MPPT控制器，運算后驅動升壓斬波電路(DC-DC)的IGBT管，進行升壓變換，逆變側根據檢測到的電網電壓、相位和幅值等信號結合SVPWM控制算法生成逆變橋上6個IGBT管的驅動信號，驅動逆變橋進行DC-AC變化，經過濾波后，將同頻同相的交流電進行并網.

圖2 直流微網逆變器結構圖

2.1 最大功率跟蹤(MPPT)算法實現

MPPT的目的是指導電力電子電路的工作狀態使其達到最大可能利用分布式能源能量的目的，其主要應用于以光伏為主體的微網逆變器控制中.其實施核心是尋找合適的MPPT控制算法，能在快速變化的外界環境條件下有效地跟蹤最大功率點，使逆變器時刻工作在最大功率點上.實現最大功率點跟蹤有很多種方法[5]，結合經驗和實際應用效果，本文提出的是基于擾動法下的三點比較跟蹤法.

三點比較跟蹤法是當日照強度快速變化時而不快速移動工作點，以減小擾動損失.任意取a、b、c三點，取當前工作點a為出發點，根據上一步判斷給出的擾動方向擾動到b點，之后反方向兩個擾動步長擾動至c點，分別測量這三點的功率，當Pagt;Pc及Pb≥Pa時，記為“+”，反之記為“-”.

三點之間功率的比較判斷，有以下判斷規則：

(1)如果兩次擾動的功率比較結果均為“+”則電壓值保持原方向擾動.

(2)如果兩次擾動的功率比較結果均為“-”則電壓值反方向擾動.

(3)如果兩次擾動的功率比較結果有“+”有“-”，可能已經達到最大功率點或者外部輻射照度變化很快，則電壓值保持不變.

圖3為實現此方法的流程圖.三點比較跟蹤法是基于擾動觀測法的基礎上提出來的.當t=0時檢測a點的電壓與電流；當t=t+1時檢測b點的電壓與電流；當t=t-1時檢測c點的電壓與電流；分別計算這三點的功率，并進行比較，找出最大功率點，從而利用輸出最大功率點電壓對開關管進行控制.

圖3 三點比較跟蹤法實現流程圖

2.2 SVPWM控制實現

目前SVPWM(電壓空間矢量脈寬調制)已經成為了和SPWM并行的一種逆變器的調制技術.SVPWM是一種基于空間旋轉矢量的等效控制，思想是利用矢量空間中有限的靜止矢量去合成和跟蹤調制波的空間旋轉矢量，使合成的空間矢量含有調制波的信息[6].與傳統的SPWM相比，SVPWM能夠減少諧波，改善波形質量，提高直流電壓利用率，減少開關次數，降低功率管功耗，易于數字化實現，更具有一致性和整體性，是一種優化的PWM技術[7].因此SVPWM技術不僅在電力電子逆變、整流變換以及交流傳動領域有著廣泛的應用，而且在電力系統功率因數的調節以及各種利用清潔能源發電的分布式系統中都有很好的應用前景[8].本文對逆變器采用SVPWM控制.

假設相電壓為三相平衡正弦電壓，如式(1)所示：

(1)

電壓空間矢量為式(2)：

Vα+JVβ

(2)

三相逆變橋結構如圖2所示.其輸出電壓共有八個狀態，SA、SB、SC分別表示A、B、C三相的開關狀態，“1”表示上橋臂導通，“0”表示下橋臂導通.當A相上橋臂導通，B、C相下橋臂導通，此時工作狀態記作(SA,SB,SC)=(1，0，0)，三相電壓(UA,UB,UC)=(Ud，0，0).

由式(1)與式(2)可得此時電壓空間矢量幅值Us=2/3Ud，空間位置為ej0.以此類推可得到其他空間矢量以及空間位置.其中V0、V7的電壓為零，因此也被稱為零矢量，V1～V6為六個有效的工作矢量.逆變橋有八個基本的電壓矢量，由于沒有辦法來形成連續的電壓空間矢量.所以為了達到預期的效果，采用相鄰的兩個有效工作矢量來合成期望的輸出矢量.

由基本電壓合成矢量的方式有很多種，常用的是7段式，它是在開關周期的首尾取零矢量V0以及中間取零矢量V7，將兩個有效基本矢量V1、V2插在零矢量間.SVPWM輸出電壓矢量7段式組合如表1所示.

表1 SVPWM輸出電壓矢量7段式組合

本文采用軟件編程得出空間矢量脈寬調制波.采用編程的方法具有方便簡潔、快速實現等優點.建立的模型如圖4所示，用來對矢量的合成以及扇區的選擇.建立模型時首先要進行的解耦，之后經過程序進行矢量合成以及扇區選擇，最后進行與三角波的比較，輸出脈寬調制波形.

圖4 SVPWM的模型

3 搭建模型及仿真

本次所仿真的微電網中分布式能源主要是光伏能源，輔助以儲能，構成光儲并網型微網系統.利用Matlab/Simulink搭建的模型.

3.1 直流微網系統的模型

圖5是直流微網系統的模型.通過測量光儲直流源的電流與電壓反饋至MPPT，達到跟蹤的效果，MPPT控制器發出指令驅動升壓斬波電路中的IGBT，達到升壓的效果，之后采集電網系統的電流，反饋給SVPWM控制器，運算后驅動逆變器的6個IGBT管，輸出三相電通過濾波后并入電網.

圖5 直流微網系統的模型

3.2 直流微網逆變器的仿真結果

直流微網結構的工作波形為：圖6所示 MPPT跟蹤波形圖，圖7 所示逆變電路輸出電壓，圖8 所示并網電壓與電流.

圖6 MPPT跟蹤波形圖

圖6為對MPPT的跟蹤效果的仿真，三點比較跟蹤法通過雙向擾動確認的方法來保證其可靠性，具有雙向滯環特性的雙向擾動，避免了誤判的發生，同時也能抑制最大功率附近的振蕩.由圖6可以看出，波動范圍在4.1%左右，說明采用三點比較跟蹤法可以實現快速跟蹤效果.

圖7 逆變電路輸出電壓

圖7是經過BOOST電路升壓后逆變器輸出的電壓波形，可以看出，輸出的電壓達到較理想的效果；圖8是經過濾波后并網的電網電壓與逆變器輸出電流的波形，能夠達到電壓與電流同頻同相，可以實現并網.

圖8 并網電壓與電流

3.3 SPWM控制與SVPWM控制比較

為證明本文SVPWM控制效果，在相同的條件下對傳統的SPWM控制進行仿真與上節SVPWM控制效果進行對比.將圖5仿真模型中逆變器的開關管給定脈沖方式變為SPWM方法，即可得到圖9所示的輸出效果.

圖9 采用SPWM方法并網電壓電流

由圖8和9對比可以看出，圖8采用SVPWM方法并網后的電壓與電流能夠達到同頻同相，圖9傳統SPWM方法并網電流與電壓有一定的相位差，不能達到同頻同相的效果，說明本文SVPWM控制較傳統SPWM控制在并網輸出效果上有一定的優勢.

3.4 實驗驗證

在仿真的基礎上，依據仿真結果設計了三相微網逆變器測試平臺，如圖10所示.在此實驗平臺上，進行了相關性能的測試.圖11是SVPWM的測試波形，可以實現輸出脈寬對IGBT的控制；圖12是逆變器輸出的電壓波形，測試的結果表明，采用本文的控制方法，逆變器能夠輸出理想的電壓波形；圖13是經過濾波后其中一相的正弦電壓波形；圖14是微電網并網的電壓波形，輸出結果顯示，三相電壓波形能夠達到并網的效果.

圖10 三相微網逆變器實物

圖11 SVPWM示波器波形

圖12 電壓波形

圖13 濾波后其中一相的正弦電壓波形

圖14 微電網并網電壓波形

4 總結

本文結合微電網中分布式能源并網的要求，設計了基于三點比較跟蹤法結合SVPWM技術實現的三相微網逆變器，并利用MATLAB建立了相關模型進行仿真并搭建實驗平臺來驗證本文所提出控制方法.結果證明，上述方法可以實現微網并網逆變器輸出的相電壓為理想三電平階梯波，經濾波后電壓和電流均為規則正弦波，且能實現同頻同相，較好地實現了光儲結構的微電網并網功能.

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【責任編輯：蔣亞儒】

ResearchofopticalstorageDCmicro-gridinverter

CHEN Jing-wen, ZHANG Rong， ZHANG Dong， ZHOU Xin, MENG Yan-jing

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science amp; Technology, Xi′an 710021, China)

With the application of micro grid is more and more widely,the inverter as the main equipment has bec-ome the core focus in the grid research.Aiming at the characteristics of the micro grid designs a three-phase inv-erter based on the three-point comparative tracking method and SVPWM technology.The paper analyzes the wor-king principle and structure of the inverter and major designs micro-grid inverter MPPT algorithm and SVPWM.B-ased on above,paper builds micro-inverter model,and establishes simulation model and experimental platform to validate the effectiveness of the MPPT and SVPWM method .The results show that the control method can better achieve transmission effect of micro grid power.

micro grid; MPPT; SVPWM; inverter

2017-08-01

國家自然科學基金項目(51577110)； 陜西省科技廳工業科技攻關計劃項目(2015GY074)； 西安市科技局科技計劃項目(2017068CG/RC031(SXKD001))

陳景文(1978-)，男，內蒙古赤峰人，副教授，碩士生導師，研究方向：微電網技術及應用

2096-398X(2017)06-0159-05

TM46

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