兩級式光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)

王 傲，張厚升，朱勝杰，靳 舵，蔣俊杰

（山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255022）

0 引言

當(dāng)今世界能源消耗量在逐年遞增，對石油、煤炭等能源的大量使用，不僅會造成化石能源的局部性短缺，而且會給環(huán)境帶來不可估量的危害，加大新能源發(fā)展力度勢在必行［1-3］。太陽能作為一種清潔能源，其發(fā)電系統(tǒng)安裝簡便，可直接接入?yún)^(qū)域配電系統(tǒng)，在未來發(fā)電占比將越來越大。所研究的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定和維修便捷等優(yōu)點，適用于光伏建筑一體化的場合，尤其是家庭戶用光伏發(fā)電［4-6］，既可滿足自身的用電需求，在政府政策支持的情況下，還可將剩余的電量并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)作為一種額外的家庭經(jīng)濟收入來源。

光伏（Photovoltaic，PV）并網(wǎng)逆變的核心問題是如何使光伏陣列工作在最大功率點以及如何實現(xiàn)并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的同頻同相。在最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）各種算法中，擾動觀察法（Perturbation and Observation Method，P&O）控制思路清晰、實現(xiàn)方便［7-9］，因此在工程上被廣泛使用，但傳統(tǒng)的定步長擾動觀察法無法兼顧跟蹤的速度與精度，會造成不必要的能量損失。后級電路采用電壓電流雙閉環(huán)控制，其中電流環(huán)常采用的比例積分（Proportional Integral，PI）控制往往難以實現(xiàn)電流的無靜差跟蹤［10-13］，控制效果不理想。

為改善上述問題，將基于電壓尋優(yōu)的變步長擾動觀察算法與比例諧振（Proportional Resonant，PR）控制電流兩種控制策略相結(jié)合，可有效實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤及單位功率因數(shù)并網(wǎng)控制，最后通過仿真驗證了所設(shè)計系統(tǒng)的可行性。

1 單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)

兩級式非隔離型光伏并網(wǎng)單相逆變系統(tǒng)如圖1所示。

該系統(tǒng)基本原理為：首先前級升壓電路對光伏陣列的電流Ipv和電壓Upv進行采樣，利用MPPT算法，使得輸出電壓不斷向最大功率點處所對應(yīng)的電壓靠攏，將MPPT 模塊參考電壓與Upv的差值送入PI 調(diào)節(jié)器得到的信號與三角載波做比較，為升壓斬波電路提供開關(guān)信號，使直流側(cè)電壓高于電網(wǎng)側(cè)電壓幅值；然后后級逆變電路采用雙閉環(huán)控制，電壓外環(huán)有兩個作用，一是采用PI調(diào)節(jié)得到參考電流幅值Iref，同時由鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）得到相角θ，進而得到參考并網(wǎng)電流iref，二是使直流母線電壓穩(wěn)定于Uref。電流內(nèi)環(huán)將iref與實際并網(wǎng)電流igrid的差值送入PR 控制器，其輸出與電網(wǎng)電壓ugrid的前饋信號疊加［14］，經(jīng)正弦脈沖寬度調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）調(diào)制驅(qū)動單相全控橋式逆變器以實現(xiàn)電流的無靜差跟蹤。

2 光伏逆變系統(tǒng)的控制

2.1 前級升壓電路

前級電路的目標(biāo)是通過Boost 電路升高光伏陣列的輸出電壓以滿足直流母線電壓高于電網(wǎng)電壓幅值的要求，并且實現(xiàn)最大功率點跟蹤。光伏陣列通過光電效應(yīng)實現(xiàn)光能與電能兩種形式的轉(zhuǎn)換，但光伏陣列的輸出電壓與功率的關(guān)系并非是線性的，因此需要采取特殊的方法使系統(tǒng)工作在特定的電壓或電流下。光照強度變化對光伏陣列輸出功率的影響遠(yuǎn)大于溫度變化對輸出功率的影響，因此可忽略溫度對PV陣列的影響，如圖2 所示，選取某種型號的PV 陣列，在恒溫25 ℃下，依次繪制出光照強度為1 kW/m2、0.5 kW/m2、0.1 kW/m2時的光伏特性曲線，從圖中可以得知光伏陣列的輸出功率隨電壓的增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，且增加的趨勢較慢，減小的趨勢較快，在該過程中存在一個最大輸出功率點A（jUAj，PA）j，其中j=1，2，3。MPPT 算法的最終目的就是使光伏陣列始終處于所期望的最大功率工作狀態(tài)上。由于外部環(huán)境不是一成不變的，因此，擾動觀察法的實現(xiàn)需要不斷對光伏陣列電壓U、電流I信號進行采樣，得到功率P，通過計算當(dāng)前工作點與上一工作點的功率和電壓差值，若兩者符號相同則應(yīng)增大電壓，反之應(yīng)減小電壓，然后循環(huán)該過程直至到達(dá)最大功率點。

圖2 光伏陣列特性曲線

在系統(tǒng)運行過程中，只采用同一步長往往很難直接精確對最大功率點進行跟蹤，如果步長過大甚至?xí)竭^最大功率點，出現(xiàn)幅值震蕩問題影響跟蹤精度，而僅是采用較小步長勢必會影響跟蹤速度。為改善該問題，提出了一種變步長擾動觀察法，在某一時刻，首先分別觀測電壓、功率與上一時刻的差值，判斷出該時刻在最大功率點左側(cè)還是右側(cè)，這一步實質(zhì)上是由功率對電壓導(dǎo)數(shù)的正負(fù)確定當(dāng)前時刻工作點的所在。以圖2 為例，假設(shè)一天內(nèi)的最大光照強度 為1 kW/m2，最 小 為0.1 kW/m2，定 義U1＜UA3，U＞2UA1。因此可將圖2分為兩部分，第一部分包含所有光照強度下所對應(yīng)的最大功率點，即U1＜U＜U2；第二部分為相對遠(yuǎn)離最大功率點的位置，即U＜U1或U＞U2。若采樣所得的U在第一部分內(nèi)，則采用較小步長d2進行小幅度擾動，反之則采用較大步長d1進行擾動。該方法既保證了最大功率點的跟蹤速度和精度，又減少了能量的損失，變步長擾動觀察法控制如圖3所示。

圖3 變步長擾動觀察法控制

2.2 后級電流內(nèi)環(huán)電路

電流內(nèi)環(huán)的主要功能是使逆變器輸出電流跟蹤指令信號iref以保證igrid與ugrid同頻率且同相位，電流內(nèi)環(huán)控制如圖4 所示。其中采用雙極性SPWM 調(diào)制的逆變單元可等效為小慣性環(huán)節(jié)，即

圖4 電流內(nèi)環(huán)控制

式中：KPWM為逆變器增益；Ts為慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)。

濾波器的傳遞函數(shù)為

式中：L1、L2為濾波電感；Cf為濾波電容。

對控制器的傳遞函數(shù)及相關(guān)參數(shù)進行分析。若采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)無法實現(xiàn)對電流信號的無靜差控制，對高頻信號的跟蹤性能及抗干擾性能較差，而采用PR 控制可以較好改善該類問題。理想PR 控制器的傳遞函數(shù)為

式中：kp為比例系數(shù)；kr為諧振系數(shù)；ω0為基波頻率，電網(wǎng)頻率取為50 Hz，因此ω0=2πf=314 rad/s。

理想PR 控制器僅可實現(xiàn)對特定頻率下的正弦信號的跟蹤，而對其他頻率下的正弦信號作用微乎其微，且在特定頻率處趨近無窮大的增益可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，在系統(tǒng)實際運行過程中，可能由于電網(wǎng)頻率的波動或測量采樣的不精確性而導(dǎo)致PR 控制器抗干擾性能下降。因此，進一步利用準(zhǔn)比例諧振控制來替代上述理想PR控制，其傳遞函數(shù)為

式中：ωc為截止頻率；ω0為已知量；需要控制的參數(shù)為kp，kr和ωc。

首先，計算參數(shù)ωc。若固定kp和kr，只改變ωc的值，控制器的帶寬與各頻率（不含ω0）的增益都會隨著ωc的增大而增大。由帶寬定義可求得該系統(tǒng)帶寬為ωc/π［15-16］，設(shè)電網(wǎng)頻率波動偏差為±0.5 Hz，可求得ωc的最小值為3.14 rad/s。

其次，確定參數(shù)kr。若固定kp和ωc，僅改變kr的值，PR 控制器的帶寬無變化，而控制器各頻率的增益隨著kr的增大而增大。在選擇kr時，若kr值過大，會連同遠(yuǎn)離基波頻率的諧波分量也一起放大；若kr值過小，無法保證ω0附近的頻率留有足夠的增益。因此，kr應(yīng)根據(jù)實際情況適當(dāng)選擇。

最后，確定參數(shù)kp。若固定kr和ωc，僅改變kp的值，隨著kp的增加，各頻率處的增益在增加，但基波頻率處的幅值增加的幅度不大。比例項的設(shè)置會影響系統(tǒng)的動態(tài)性能，kp增加，系統(tǒng)的震蕩次數(shù)與調(diào)節(jié)時間也會隨之增加。

2.3 后級電壓外環(huán)電路

電壓外環(huán)的第一個功能是穩(wěn)定直流母線電壓Udc，控制逆變器直流側(cè)電容的電壓穩(wěn)定即可實現(xiàn)光伏陣列產(chǎn)生的能量與并網(wǎng)能量之間的平衡。

電壓外環(huán)的第二個功能是為電流內(nèi)環(huán)提供電流指令值iref。在得到與并網(wǎng)電壓同頻同相的參考電流iref的過程中，其必不可少的一環(huán)為鎖相環(huán)功能的實現(xiàn)。通過檢測每個工頻周期內(nèi)電網(wǎng)電壓的過零點來實現(xiàn)鎖相是工程上被廣泛應(yīng)用的一種鎖相技術(shù)，但在電網(wǎng)電壓因諧波而產(chǎn)生畸變或者檢測電路因各種干擾而無法精確工作等情況下，會對過零點的檢測造成困難，限制了鎖相精度和速度。

為了更好地實現(xiàn)鎖相功能，在三相電網(wǎng)電壓單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)的基礎(chǔ)上［17-19］，對基于虛擬坐標(biāo)變換的單相電網(wǎng)電壓鎖相方法進行了分析。首先以已知的電網(wǎng)電壓ugrid為基礎(chǔ)，構(gòu)造出比其滯后90°的正交電壓，分別作為兩相靜止坐標(biāo)系下的α軸分量uα、β軸分量uβ，然后由兩相靜止坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系間的變換得到dq坐標(biāo)系下的d軸分量ud和q軸分量uq。接下來對單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)進行研究，單同步鎖相環(huán)電壓矢量如圖5 所示，若想實現(xiàn)鎖相功能，令電網(wǎng)電壓矢量ugrid與ud同向即可。當(dāng)ugrid在q軸上的投影小于零時，ud將超前于ugrid；當(dāng)ugrid在q軸上的投影大于零時，ud將滯后于ugrid；那么只有當(dāng)ugrid在q軸上的投影等于零時，才能使得兩個電壓矢量重合。因此，控制uq為零就可使鎖相環(huán)輸出電網(wǎng)電壓相位即ωt=θ。單相鎖相環(huán)的實現(xiàn)如圖6所示。

圖5 單同步鎖相環(huán)電壓矢量

圖6 單相鎖相環(huán)實現(xiàn)

3 仿真分析

為驗證所設(shè)計的兩級式非隔離型光伏并網(wǎng)單相逆變系統(tǒng)的工作效果，按照上述方法在MATLAB/Simulink中搭建了相應(yīng)的仿真模型。并網(wǎng)電壓有效值為220 V，頻率為50 Hz。

首先，驗證前級升壓電路是否能達(dá)到預(yù)期。光伏陣列由Simulink 工具箱中的PV Array 實現(xiàn)，在Module 選項中設(shè)定光伏陣列的型號，設(shè)置固定外部環(huán)境光照強度1 kW/m2以及溫度25 ℃，此時光伏陣列的開路電壓也即最大工作電壓為309 V，當(dāng)工作電壓為258 V 達(dá)到最大功率2 097.54 W，MPPT 變步長擾動觀察法使用MATLAB Function 模塊編程實現(xiàn)。光伏陣列的輸出功率曲線如圖7 所示，在0.13 s 左右系統(tǒng)穩(wěn)定在最大功率點附近，在傳統(tǒng)擾動觀察法的基礎(chǔ)上，既達(dá)到了最大功率跟蹤的目的，又提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

圖7 光伏陣列輸出功率曲線

其次，驗證對后級逆變電路電壓電流雙閉環(huán)的分析與研究正確與否。單相鎖相環(huán)工作情況如圖8所示，該環(huán)節(jié)在極短的響應(yīng)時間內(nèi)就對電網(wǎng)電壓頻率和相位完成了鎖定。直流母線電壓波形如圖9 所示，在0.13 s左右即穩(wěn)定在區(qū)間［397，403］內(nèi)，波動幅度很小基本滿足設(shè)定值400 V。并網(wǎng)電流與參考并網(wǎng)電流波形如圖10 所示，在0.13 s 后兩者波形基本重合，實現(xiàn)了并網(wǎng)電流igrid對參考指令電流iref的無靜差跟蹤。

圖8 單相鎖相環(huán)工作情況

圖9 直流母線電壓

圖10 并網(wǎng)電流與參考并網(wǎng)電流波形

最后，比較PI 控制與PR 控制下的并網(wǎng)電流波形。其中PI 控制的積分系數(shù)ki=50，比例系數(shù)kp=8.5；PR 參數(shù)為ki=8.5，kr=50，ωc=3.14。電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流的波形如圖11 所示，兩種情況都可快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但圖11（a）PI 控制下，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓之間存在較大的相位差，在圖11（b）中PR 控制下兩者的相位差極小，且此時電流畸變率為1.39%。PI、PR 控制器伯德圖如圖12 所示，由圖12 也可看出，在基波頻率處PR控制器的增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PI控制器的增益，因此PR控制下的電流波形有更好的品質(zhì)。

圖11 并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓

PR 控制下電網(wǎng)頻率波動時的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的波形如圖13 所示。由圖可知，并網(wǎng)電流能夠很好對電網(wǎng)電壓進行跟蹤，且圖13（a）中并網(wǎng)電流畸變率為2.54%，圖13（b）中并網(wǎng)電流畸變率為3.21%，達(dá)到了預(yù)期效果。由圖12 可分析得，在PR 控制下，基波頻率附近也有著較大的增益，因此可以較好的應(yīng)對電網(wǎng)頻率小幅度波動的情況。

圖12 PI、PR控制器伯德圖

圖13 頻率波動時電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流波形

4 結(jié)語

主要研究了雙級式單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的控制策略，前級升壓電路運用變步長擾動觀察法，結(jié)果表明可較快的對最大功率點進行跟蹤；在后級逆變電路的分析中，鎖相環(huán)的設(shè)計仿照單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)算法在三相逆變電路中的應(yīng)用，采用構(gòu)造虛擬正交分量及坐標(biāo)變換的方法，實現(xiàn)了電網(wǎng)電壓相位的快速鎖定。電流內(nèi)環(huán)中準(zhǔn)比例諧振控制器的運用既可實現(xiàn)基波頻率的無差跟蹤，也可使系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓頻率小幅度波動時仍能保證并網(wǎng)電流無靜差跟蹤參考電流。最終所設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)了并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的同頻同相，滿足并網(wǎng)運行要求，對于家庭戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)具有較好的實用意義。