光伏離網逆變器并聯控制系統研究

摘 要：為解決單臺光伏離網逆變器容量小、可靠性低和傳統逆變器并聯動態性能差的問題，設計一種并聯控制方法。通過對光伏離網逆變器并聯功率模型的分析，基于無互聯線的有功和無功功率PQ下垂特性改進的并聯控制算法，量化有功功率、無功功率與輸出電壓幅值、相位之間的關系，運用雙閉環的控制策略，設計基于DSP并聯控制系統，實現逆變器并聯均流控制的數字化，并搭建基于TMS320F2809的兩臺4 kVA逆變器無互聯線并聯硬件平臺進行實驗分析。實驗結果表明：系統的并聯均流效果良好，可提升光伏逆變系統的容量，提高動態性能。

關鍵詞：離網逆變器；并聯控制；下垂特性；并聯均流

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）03-0063-06

Abstract： A parallel control method is designed in view of low capacity and low reliability of single set PV off-grid inverter and low parallel dynamic performance of traditional inverter. The parallel control algorithm based on the analysis on the parallel power model of PV off-grid inverter and improved PQ droop characteristic of active and reactive power without interconnection line is employed to quantify the relations between active power， reactive power and output voltage amplitude and phase. With the aid of dual closed-loop control tactics， the design of parallel control system based on DSP is applied to realize the digitization of inverter parallel current sharing control， and the interconnection line-free parallel hardware platform of two 4kVA inverters based on TMS320F2809 is set up for experimental analysis. The experimental results show that the parallel current sharing system works， which is instrumental in the improvement of the capacity of PV off-grid inverter system and the enhancement of the dynamic performance.

Keywords： off-grid inverter； parallel control； sag characteristic； parallel current sharing

0 引 言

在實際應用中，交流用電負載對光伏離網逆變系統的容量和供電質量要求越來越高，而不斷提高單個逆變器的容量會對電子元器件造成更大負擔，降低系統供電的可靠性，其解決方案是將多臺逆變器進行并聯進而提升光伏離網發電系統的容量。

逆變器的并聯多采用集中控制、主從控制或是基于分散邏輯的控制，以上都是基于互聯線的控制方案，逆變器之間實時交換信息，實現模塊統一控制或自主調節，這種控制方式增加了復雜的互聯線，冗余性能差。采用網絡通信控制方法能夠取代復雜的互聯線，保證良好的冗余，但是通信需要處理數據的實時性和快速性。無互聯線控制能夠實現系統的冗余，不需要復雜的聯絡線，解決逆變器位置限制和外界干擾的問題。

無互聯線的控制方法采用電壓幅值頻率下垂法（PQ下垂法），該控制方法是基于有功功率和無功功率下垂特性，主要解決逆變器在負載端的并聯均流問題[1]。傳統的算法采用單閉環PI控制算法，需要較長時間各逆變器模塊才能達到功率均分的狀態，動態性能較差。本文在改進PQ下垂法的基礎上采用雙閉環的控制策略，以32位數字芯片TMS32F2809設計并聯均流控制系統，實現全數字化控制，在兩臺4 kVA逆變器并聯的硬件平臺實驗表明，該方法改善了并聯系統的動態性能和提高了系統運行的可靠性。

1 光伏離網逆變器并聯系統

兩臺光伏離網逆變器并聯框圖如圖1所示，并聯模塊為單相光伏離網逆變器，能夠在自主調節程序的控制下穩定協調工作。逆變器能夠實現市電整流為蓄電池充電，也可以通過光伏離網發電系統為蓄電池充電，蓄電池存儲能量經全橋逆變電路逆變輸出為負載供電。正常工作時若一臺逆變器容量無法滿足功率需求，通過兩臺逆變器并聯各自帶載50%，來增加供電系統的容量[2-3]。

2 光伏離網逆變器并聯控制策略

逆變器的并聯主要是能夠根據負載完成功率均分或根據逆變器相應容量進行功率匹配輸出。根據下垂法的原理，由于光伏離網逆變輸出端電壓幅值和相位與有功、無功功率存在相應函數特性，能夠在各臺光伏離網逆變器不外接控制模塊和通信模塊的狀態下，根據自身的輸出功率進行相應運算，進而達到各臺設備的均流控制[4-5]。

2.1 并聯負載均分模型

為了方便分析，模型僅以兩臺逆變器模塊并聯為例，其等效電壓源并聯電路結構如圖2所示。分別設兩臺逆變器的輸出電壓為：E1=E1，E2=（E1+ΔE）ejφ，在這兩臺逆變器之間存在著一定的幅值差ΔE和相位差φ，逆變器的輸出阻抗及導線阻抗可以看為一體，并兩臺逆變器的整機輸出阻抗分別用Z1和Z2表示，ZL則為負載阻抗。

根據圖2，可得到如下關系式：

由式（8）、式（9）和式（10）、式（11）可見，幅值差ΔE和相位差φ與輸出有功功率和無功功率有關[6-7]。

2.2 光伏離網逆變器并聯均流

逆變器的并聯均流采用基于有功功率和無功功率PQ下垂控制方法，該方法根據輸出電壓超前的逆變器輸出的有功功率大，輸出電壓幅值較大的無功功率大的特性，通過調整逆變器電壓相位，分配有功功率，調整逆變器輸出電壓的幅值，控制無功功率，控制原理如下所示：

其中f0i和V0i是逆變器輸出電壓頻率和幅值，mi和ni是下垂系數，圖3為下垂控制示意圖。

為了保證并聯系統穩態性能，由上述均分模型分析可知，逆變器輸出電壓幅值對有功功率有一定影響，逆變器輸出電壓相位對無功功率也存在一定的影響，因此并聯的逆變器模塊根據式（12）、式（13）得到：

對式（14）、式（15）的算法，逆變器模塊經過一段時間就可以達到幅值和頻率的一致，實現均流控制，但是在實際應用中要經過較長的時間才能穩定，其動態性能較差，嚴重時會出現長時間的震蕩，因此要對上式加以改進，在式（14）、式（15）的基礎上加上有功功率和無功功率的微分環節[8-10]，得到：

3 光伏離網逆變器并聯控制系統設計

3.1 單相光伏離網逆變器并聯控制系統

根據上述有功功率和無功功率PQ下垂控制原理，光伏離網逆變器并聯控制系統框圖如圖4所示。控制環節包括鎖相環、有功功率和無功功率的計算、正弦波參考值計算、雙閉環控制等。

逆變器工作時，首先采樣交流母線電壓，判定母線電壓有效值為0時，作為逆變電源直接逆變輸出，如果檢測到標準50 Hz交流電壓，則進行并聯均流控制。鎖相環用以檢測交流母線電壓的相位，然后從標準正弦表中查詢相對應正弦值，當逆變器空載電壓相位同母線電壓相位相等（精度0.14 rad）時，將此逆變器并入系統。采樣逆變輸出的瞬時電壓Uo和電流iL，計算瞬時有功功率Pk和無功功率Qk，在逆變器并聯系統中計算一個工頻周期內有功功率平均值Pk*和無功功率平均值Qk*，為方便計算將頻率值置換成周期值，根據式（16）周期計算得到DSP定時器周期設定值T′，根據式（17）可得正弦表的幅值調整系數Kvz，然后查表得到內環電壓參考值uref，利用uref結合輸出電壓的瞬時值Uo*，得到外環電流參考值iref，結合輸出電流的瞬時值iL*，以及定時器周期設定值T ′，得到全橋逆變的驅動PWM信號脈沖。

3.2 改進PQ下垂控制算法的實現

DSP數字芯片TMS320F2809，能夠實現PQ下垂控制策略的高速數值運算。對于單相系統其周期性波形的功率計算方程為

對于單相光伏離網逆變器，其輸出電壓Uo和電流iL，在一個工頻周期To內功率計算式如下式所示：

將上式數字離散化：

式中N表示一個工頻周期采樣點數，由于本系統全橋開關管頻率fm=20 kHz，輸出正弦波電壓fo=50 Hz，因此N=fm/fo=400。根據式（20）可知，DSP采樣瞬時電壓和電流可以實時計算有功功率，無功功率則需要當前時刻電壓和1/4周期前電流，通過式（20）實現有功功率和無功功率計算的數字化。計算有功功率和無功功率后，將式（16）、式（17）進行數字離散化[11-12]可得：

通過對下垂系數的設定，根據式（21）、式（22）調整輸出電壓幅值和相位，實現逆變器的并聯均流。

3.3 電壓電流雙環控制

為了提高光伏離網逆變器并聯系統動態性能，改善并聯輸出波形，系統采用內環電流瞬時反饋控制，外環電壓反饋控制的雙閉環控制結構。雙閉環控制能夠提高系統控制精度，其控制框圖如圖5所示，其中L為濾波電感，ro為電感等效內阻，C為濾波電容，R為負載端等效阻抗，Kvf和Kif分別為電壓和電流采樣檢測系數。圖中逆變輸出電壓uo和參考值uref進行求差運算，對誤差信號進行PI調節，輸出電流內環的參考信號，此參考信號與電流內環輸出信號相比較，得到內環誤差信號，經內環調節后將控制信號送入PWM調節器M，控制產生PWM脈沖信號。

忽略濾波電感和濾波電容的內阻，電流內環結構如圖6所示，開環傳遞函數為

式中KM為逆變全橋的比例系數，在此設為1。

電流內環完全穩定狀態下，電壓外環控制框圖如圖7所示，開環傳遞函數為

4 DSP主要程序的設計

根據以上工作原理，其主要DSP程序設計包括周期中斷程序和PQ功率調節子程序的設計，圖8為周期中斷程序流程圖，周期中斷主要完成AD采樣及計算量的調整，電壓環和電流環的調節，計算SPWM脈寬。圖9為PQ功率調節子程序流程圖，主要根據式（21）、式（22）實現PQ周期化調整，得到電壓幅值調整系數Kvz和周期調整值ΔT，設置PQ調節標志位，其中為計算方便將頻率的調節換算為周期值的調整。

5 實驗結果及分析

本文設計兩臺4 kVA單相光伏離網逆變器進行并聯，基于逆變器參數：L為0.47 mH，R為48 Ω，C為10 μF，SPWM開關頻率20 kHz，直流母線電壓380 V，額定輸出電壓220 V。

根據以上參數，設定Kip為35.8，Kif為0.39，KM為1，根據式（23）可得到開環傳遞函數的伯德圖，如圖10（a）所示，經過內環比例調節后，系統的動態性能得到改善。設定Kvf為0.01，Kvp為5.8，Kvi為18 614，根據式（24），其開環函數伯德圖如圖10（b）所示，從圖中可以看出，內環經PI調節后，具有良好的穩態裕量，滿足穩定性要求。

光伏離網逆變器并聯時PWM輸出驅動波形如圖11所示，圖12為單臺逆變帶載波形圖，交流輸出端電壓和電流在帶載情況下，并無失真，逆變器能夠正常工作，且運行穩定。

圖13為并聯均流的仿真實驗波形圖，可以看到并聯狀態下，能夠實現對負載電流的均分，并且保持母線電壓的平衡，增大系統的帶載容量和工作狀態下的可靠性。

兩臺4 kVA光伏離網逆變器進行測試，采用純阻性負載，實驗數據如表1所示。通過實驗數據可以看出：兩臺逆變器模塊在并聯過程中，電流的不均衡度低于3%，具有較高的并聯均流精度。

6 結束語

本文主要介紹了光伏離網逆變器并聯均流系統結構，建立兩臺逆變器的并聯均流等效模型，分析基于有功功率和無功功率下垂特性的改進并聯控制算法，設計了基于數字芯片DSP的雙閉環并聯均流控制系統，以及兩臺4 kVA逆變器并聯DSP控制程序。最后通過硬件實驗，結果顯示逆變器狀態參數運行正常，能夠很好的實現并聯均流，增加了逆變系統容量，改善了并聯時的動態性能，能夠在實際工程中應用。

參考文獻

[1] 孫孝峰，顧和榮. 高頻開關型逆變器及其并聯并網技術[M]. 北京：機械工業出版社，2011：113-142.

[2] 馬小林. 逆變器模塊并聯技術的研究[D]. 杭州：浙江大學，2004.

[3] KEREKES T， TEODORESCU R， RODRIGUEZ P. A new high-efficiency single-phase transformerless PV inverter topo-logy[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58（1）：184-191.

[4] 周星亮，梁量. 基于環流功率理論的單相UPS并聯均流控制設計[J]. 電源學報，2011（2）：1-6.

[5] 于瑋，馬奎安，徐德鴻. 基于平均功率的UPS并聯系統均流設計[J]. 電力電子技術，2009，43（5）：48-50.

[6] 劉艷兵. 逆變電源無互聯線并聯控制研究[D]. 洛陽：河南科技大學，2011.

[7] 林旭成，楊蘋. 基于DSP的離網逆變器的研制[J]. 通信電源技術，2011，27（5）：10-12.

[8] 高玉峰，胡旭杰，陳濤，等. 開關電源模塊并聯均流系統的研究[J]. 電源技術，2011，35（2）：210-212.

[9] 張勝輝，郭海軍，石文國. 并聯均流高頻開關電源的研究[J]. 國外電子元器件，2004（11）：20-22.

[10] 林新春，段善旭，康勇，等. 基于下垂特性控制的無互聯線并聯UPS建模與穩定性分析[J]. 中國電機工程學報，2004（2）：33-38.

[11] 胡友水，李漢強. 高頻開關電源的并聯均流系統[J]. 電源技術應用，2004，7（1）：32-34.

[12] 孫洪洋，徐學軍. 高頻開關電源并聯均流特性的應用與仿真研究[J]. 華東電力，2012，40（11）：1991-1995.

（編輯：莫婕）