光伏并網變流器控制策略要點分析

王哲俊+盛祎+殷海兵

【摘 要】近幾年，由于全球能源局勢不斷變化及國家政策大力支持，光伏發電及其并網技術飛速發展。本文針對光伏并網逆變器的控制目標，采用空間矢量PWM（SVPWM）電流控制方式，最后對光伏并網逆變器的數學模型做出詳細分析。

【關鍵詞】光伏發電系統；SVPWM；并網變流器

中圖分類號： TM615 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）35-0047-002

Analysis of Control Strategy of Photovoltaic Grid - connected Converter

WANG Zhe-jun1 SHENG Yi1 YIN Hai-bing2

（1.Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China；2.China Construction Excellence Management Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

【Abstract】In recent years， due to the constantly changing global energy situation and strong support from national policies， photovoltaic power generation and its grid-connected technologies are developing rapidly. In this paper， aiming at the control goal of PV grid-connected inverter， space vector PWM （SVPWM） current control method is adopted. Finally， the mathematic model of PV grid-connected inverter is analyzed in detail.

【Key words】Photovoltaic power generation system； SVPWM； Grid-connected converter

0 引言

并網變流器是把PV陣列產生的直流電變換成符合電網指標的交流電同時供給電網的部件，也就是電力電子技術中的有源逆變器，它是并網型光伏發電系統功率變換和控制的關鍵。并網變流器在轉換能量的同時能夠控制轉變后交流電的電流、電壓、頻率、有功功率、無功功率等。對網側的跟蹤控制是整個功率轉換系統系統的控制關鍵，它對系統輸出電能的質量和系統的運行效率存在直接影響。

1 電壓型并網變流器控制策略的分析比較

光伏并網變流器的控制策略是光伏并網發電系統的控制關鍵，電壓型變流器控制方式有電壓控制方式和電流控制方式兩種。前者控制電壓型變流器輸出電壓，后者控制電壓型變流器輸出電流。在電壓控制方式中，如果電壓型變流器輸出的電壓與公共電網電壓相位不同，則會在電路中產生環流，但是電壓型變流器的交流側在并網后只能測出電網電壓卻無法有效地控制輸出電壓的變化。而如果電壓型并網逆變器采用電流控制方式，則只需要控制電壓型變流器所產生的正弦電流就能實現跟蹤公共電網電壓，從而實現并網。綜合上述分析，電流控制方式操作更為簡單，使用也更為廣泛。

電壓空間矢量脈沖寬度調制（Space Vector PWM，SVPWM）控制策略，即磁鏈跟蹤控制技術，它是通過控制變流器空間電壓或電流矢量的切換實現對變流器控制的一種較新的控制方法。這種控制策略采用控制逆變器空間矢量的切換來獲得準圓形的旋轉磁場而拋棄了原來的正弦波脈寬調制法， 使得在對開關頻率要求不高的情況下，變流器也可以獲得相對SPWM更好的輸出特性。不過，由于空間矢量控制策略的計算量不小而且其復雜的計算將會影響到計算精度，所以它常常用于整流及控制電機等方面。

常規的SPWM的控制重點是調整變流器的輸出波形，以至在主功率器件開關頻率不高的情況下，不易得到品質較好的輸出信號；即使提高主功率器件的開關頻率，電壓型逆變器的開關死區延時也會降低電壓利用率，不易獲得正弦度高的輸出波形。而與正弦波PWM對比，電壓空間矢量PWM具有以下幾個優點：降低了器件的開關頻率；減小了電壓型并網變流器中IGBT的能耗；提高了動態響應性能；易于單片微處理的實現；具有更好的輸出波形。因此得到了廣泛應用。

根據上面的研究對比，對所分析的電壓型并網變流器而言，更適合采用空間矢量 PWM（ SVPWM）電流控制策略。

2 光伏并網電壓型變流器的數學模型分析研究

三相光伏并網主電路結構如圖1所示，E表示電網電壓矢量，UL表示輸出濾波電感L上電壓矢量，I表示變流器輸出的電流矢量，Ui表示變流器輸出的電壓矢量，R為輸出濾波電感L上等效內阻，得出三相光伏并網電壓型變流器交流側的穩態矢量關系為：

Ui=UL+UR+E

由于穩態時I的大小不變，則UL的大小也不變，此時變流器交流側電壓矢量的端點運動軌跡形成一個以電網電壓矢量E的端點為圓心，以UL的大小為半徑的圓。因此如果控制變流器輸出電流矢量的大小和相位追蹤電網電壓矢量，就可以控制并網變流器的有功功率和無功功率，從而實現電壓型變流器的并網控制。

在三相靜止坐標系abc下，通過分析電壓型變流器交流側的穩態關系，得出電壓方程如下：

Uiabc-Eabc=IabcR+L■（1）

其中，矢量Xabc=（xa，xb，xc），x表示對應的物理量，各下標表示坐標系abc中各相的變量，而Xabc∈（Eabc、Uabc、Iabc）。endprint

當只研究三相平衡系統時，系統中只有兩個自由度，也就是說，根據變換前后功率守恒原則，此時的三相系統就可以進行一定的坐標變換簡化為兩相系統，即

Xaβ=TXabc（2）

式中T-變換矩陣，

T=■0 -■ -■0 ■ -■；

Xαβ-矢量，Xαβ=（XaXβ）T

其對應的逆變換為Xabc=T-1Xαβ，把式（2）代入（1）式并化簡如下：

Uiaβ-Eaβ=IaβR+L■（3）

然后進行一定的坐標變換將兩相靜止αβ坐標系下的數學模型變換成兩相同步旋轉坐標系dq下的數學模型如下：

Xdq=T（θ）Xαβ（4）

式中T（θ）-變換矩陣，

T（θ）=cosθ sinθ-sinθ cosθ

θ為a軸與d軸的夾角；Xdq-矢量，Xdq=（XdXq）T。聯立式（3）和式（4）并進行相應的數學變換得出：

Uidq-Edq=L0 ω-ω 0Ldq+L■+IdqR（5）

式中ω-同步旋轉角頻率，且ω=■。

在零初始條件時，對式（5）進行拉氏變換，就得出系統在dq兩相同步旋轉坐標系下電壓型變流器頻域的數學模型如下：

Ud（s）-Ed（s）-Lω0Id（s）=（sL+R）Id（s）Uq（s）-Eq（s）-Lω0Iq（s）=（sL+R）Iq（s）（6）

在式（6）中，在ω0是電網電壓基波旋轉角頻率時，稱dq兩相同步旋轉坐標系是基于電網電壓矢量定向的同步旋轉坐標系。電壓型變流器輸出的瞬時有功功率p和無功功率q如下：

p=■（edid+eqiq）q=■（ediq-eqid）（7）

又因為dq兩相同步旋轉坐標系在跟蹤同步電網電壓時，有eq=0，ed=|E|，所以上式（7）可化簡如下：

p=■edidq=■ediq（8）

如果忽略電網電壓波動所產生的不利影響，則ed的值保持恒定，從而上式（8）中電壓型變流器輸出的瞬時有功功率p僅與電壓型變流器輸出電流的d軸分量成正比，無功功率q僅與電壓型變流器輸出電流的q軸分量iq成正比。由此得出，在電網電壓不變的情況下，就可以通過控制id、iq達到跟蹤控制電壓型變流器輸出的有功功率p和無功功率q的目的。

3 結論

本文首先概述了電壓型并網變流器控制策略，并結合電壓型并網變流器的控制目標分析了當下應用較多的三相并網變流器控制策略，在對比它們各自的優缺點后，文章中采用空間矢量PWM（ SVPWM）電流控制方式，最后詳細分析了光伏并網電壓型變流器的數學模型。

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