一種單相光伏系統(tǒng)逆變器的雙環(huán)控制

李曉康，李　潔

(青島大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071)

0　引　言

電壓型逆變器的儲(chǔ)能電容與電流型逆變器的儲(chǔ)能電感相比具有體積小和價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，因此在單相光伏系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。對(duì)逆變器采用雙環(huán)控制方式是高性能逆變電源的重要發(fā)展方向[2]。其中，電流內(nèi)環(huán)采用P調(diào)節(jié)器，擴(kuò)大了逆變器控制系統(tǒng)的帶寬，使得逆變器具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，非線性負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)以及輸出電壓諧波含量小的優(yōu)點(diǎn)。電壓外環(huán)的控制器采用PI調(diào)節(jié)器[3]，加入電壓均方根值回路提高了電壓調(diào)整率。通過(guò)仿真分析可以證明在雙環(huán)控制下的電路可以產(chǎn)生良好的并網(wǎng)電流。

1　逆變電路工作原理及模型推導(dǎo)

單相光伏系統(tǒng)的電路拓?fù)浼澳孀兤鞯目刂瓶蚣苋鐖D1所示，控制回路采用雙環(huán)控制，外回路采用直流電壓回路，以產(chǎn)生內(nèi)回路的電感電流；內(nèi)回路采用電感電流控制，以產(chǎn)生PWM的控制電壓。PWM是采用正弦式PWM(SPWM)方式，以產(chǎn)生開(kāi)關(guān)的觸發(fā)信號(hào)，L-C為二階的低通濾波器，用以減小逆變器的高頻輸出項(xiàng)，使輸出電壓為高頻的正弦波。

由圖1可得：

(1)

(2)

圖1　單相光伏系統(tǒng)的電路拓?fù)浼澳孀兤鞯目刂瓶蚣?/p>

其中，SA和SB分別為全橋電路A橋和B橋開(kāi)關(guān)的切換函數(shù)：

(3)

vconA和vconB分別為A橋和B橋的SPWM控制電壓。這里開(kāi)關(guān)采用單極性電壓切換，因此可得：

vconB=-vconA

(4)

由公式(3)得：

(5)

式中，vtm是SPWM三角波的振幅。

把式(5)代入式(2)可得：

(6)

令

(7)

得：

(8)

公式(6)和公式(8)可以分別用于設(shè)計(jì)雙環(huán)控制中的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)回路。

2　控制回路設(shè)計(jì)

2.1　電流內(nèi)環(huán)回路的設(shè)計(jì)

電流內(nèi)環(huán)回路的設(shè)計(jì)如圖2所示，其中電力電路模塊根據(jù)公式(8)設(shè)計(jì)，kv和ks分別為電壓和電流增益。

圖2　電流內(nèi)環(huán)控制回路

電流控制器G1采用P調(diào)節(jié)器，此時(shí)G1=k1，由圖2可得公式(9)：

(9)

上式中的ui為電流內(nèi)環(huán)回路的帶寬，由此可得：

(10)

2.2　電壓外環(huán)回路的設(shè)計(jì)

電壓外環(huán)控制回路的設(shè)計(jì)如圖3所示，其中電力電路模塊利用公式(1)所設(shè)計(jì)。假設(shè)電流內(nèi)環(huán)回路響應(yīng)的帶寬是電壓外環(huán)回路帶寬的四倍以上，此時(shí)，電流內(nèi)環(huán)回路的響應(yīng)在電壓外環(huán)回路響應(yīng)分析時(shí)可視為1。電壓外環(huán)回路控制器同樣采取前饋控制，由于存在感測(cè)負(fù)載電流，因此電壓控制器利用感測(cè)的負(fù)載電流加入電流命令中作為前饋控制，用以直接消除負(fù)載電流對(duì)于電壓外環(huán)回路的擾動(dòng)。

電壓控制器Gv采用PI控制器來(lái)設(shè)計(jì)，此時(shí)，

(11)

由圖3可得：

(12)

PI調(diào)節(jié)器的電壓外環(huán)回路帶寬uv取電流內(nèi)環(huán)回路帶寬的1/4，此時(shí)：

(13)

圖3　電壓外環(huán)控制回路

3　提高電壓調(diào)整率

(14)

上式的計(jì)算結(jié)果需經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波，低通濾波器可表示為：

(15)

圖4　電壓均方根值控制回路

截止頻率a設(shè)定在20 Hz以下，Gm采用PI控制，以獲得精確的電壓調(diào)整率。

圖5　簡(jiǎn)化控制回路

4　仿真電路設(shè)計(jì)

為了證明電路設(shè)計(jì)的可行性，利用PSIM仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。逆變器的參數(shù)設(shè)計(jì)如下，Po=115 W，Uo=40 Vac/60 Hz，kv=1/162.2，ks=1/3.472 V/A，vtri=18 kHz/5UPP，Ud=70 V；采用單電壓極性切換方式，并且空白時(shí)間設(shè)為2 μs；L=1.323 mH，C=10 μF。通過(guò)上述電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)控制回路設(shè)計(jì)的方法可求得：k1=1.68，k2=4.60。按以上參數(shù)搭建仿真電路，可以得到在非線性負(fù)載下的輸出電壓、輸出電流及RMS電壓值的波形，如圖6所示。

圖6　非線性負(fù)載下的仿真結(jié)果

5　結(jié)　論

本文分析了單相光伏系統(tǒng)逆變器的工作原理并設(shè)計(jì)逆變器的雙環(huán)控制電路。在電流內(nèi)環(huán)及電壓外環(huán)控制回路均采用了前饋控制方式，消除了輸出對(duì)回路的擾動(dòng)；在電壓外環(huán)控制回路加入了電壓均方根值回路提高了電壓調(diào)整率。在RMS值計(jì)算時(shí)采用了簡(jiǎn)化處理的方法，大大減少了計(jì)算消耗的內(nèi)存資源。

參考文獻(xiàn)：

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[3]金愛(ài)娟，曹文彬，游珊妮，等.單相光伏系統(tǒng)的逆變器控制策略[J].電子科技,2017,30(1):19-22.

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