LCL 型三相光伏并網逆變器控制系統的設計與仿真

宋 璐，衛亞博，馮艷平

（1.陜西中醫藥大學醫學技術學院，陜西咸陽 712046；2.平頂山學院，河南平頂山 467000；3.鄭州職業技術學院，河南 鄭州 450121）

太陽能作為可再生能源之一，具有無污染、低成本和安全可靠等優點，是最常見的一種可持續發展的新能源[1]。為了更好地實現光伏發電的并網運行，需要將系統所得到的直流電轉換成電網的三相交流電，其中逆變器就是必須配置的轉換設備。為此，設計了一種帶LCL 濾波的兩級式三相光伏并網逆變器控制系統，可通過第一級DC/DC 升壓電路將光伏陣列的輸出電壓升高，然后經過第二級逆變器實現直流對并網交流的轉換，并采用LCL 濾波器對高次諧波進行濾波，最后以Simulink 為平臺，進行了相應控制系統的仿真。

1 控制系統的結構和原理

三相兩級式光伏并網控制系統結構如圖1 所示，主要包括光伏陣列、DC/DC 直流變換器、MPPT 控制器、DC/AC 逆變器、LCL 濾波器、三相鎖相環、PQ 逆變控制器和三相電網。其中，兩級式控制系統第一級為DC/DC直流升壓電路，第二級為DC/AC逆變器[2]。

圖1 三相兩級式光伏并網控制系統結構圖

第一級的主要作用是使光伏陣列實現對太陽能的最大利用，并為后級提供合適且穩定的直流電壓。為了保證光伏陣列的輸出電壓范圍能夠滿足第二級逆變器的正常工作，一般情況下都會采用DC/DC 直流升壓電路（Boost斬波電路）為后級提供合適的電壓[3]。但由于光伏陣列所處的外界環境變化較大（如光照強度和溫度），使其輸出功率非線性特性明顯，在第一級中需要使用最大功率點跟蹤技術（MPPT），來使系統能夠獲得最大功率的輸出。Boost 斬波電路的結構已經較為成熟，可以參考文獻[4]，這里不再贅述。

第二級的主要作用是通過各種控制策略將第一級輸入的直流電轉換成滿足并網需求的交流電，并在并入三相電網前通過LCL 濾波器過濾掉因采用調制解調技術而產生的高次諧波。DC/AC 逆變器的主要作用是實現逆變過程和并網控制，由三相鎖相環實時準確地獲取三相電網電壓的同步相位信息，再由PQ 逆變控制器控制母線電壓，從而獲得滿足并網需求的三相交流電[5]。三相LCL 型逆變器拓撲結構圖如圖2 所示，其中Udc為第一級Boost 斬波電路輸出的直流電壓，C1為直流母線上的濾波電容（可以緩解前后級能量突變），S1～S6為全橋逆變電路中的6 個功率開關管，i1a、i1b和i1c為逆變器輸出側流過電感L1的電流，i2a、i2b和i2c為并網交流電輸入側流過電感L2的電流，ua、ub和uc分別為各橋路輸出相電壓，L1為逆變器輸出側電感，L2為并網交流電輸入側電感，C為LCL 濾波器高頻濾波電容，ica、icb和icc為流過濾波電容的電流，O點為并網交流電中性點，O′為LCL 濾波器濾波電容的中性點。

圖2 三相LCL型逆變器拓撲結構圖

2 光伏并網控制策略

2.1 MPPT控制策略

由于光伏陣列所處環境中的光照強度和溫度的變化，使其輸出的電壓和輸出的功率都會隨之改變，從而直接影響到光伏陣列的并網效率。所以為了極大地提高電池的利用率，在并網之前需要通過最大功率點跟蹤技（MPPT），來有效地確保系統能夠正常工作在所處環境下的最大功率點（MPP）處[6-11]。

經典的MPPT 策略有固定電壓法（CVT）、擾動觀察法（P&Q）和電導增量法（INC）[12-15]。固定電壓法是一種開環控制方法，控制速度快，但未考慮到溫度的影響，所以控制效果較差，不適用于溫差變化較大的場合[16]；擾動觀察法結構簡單易實現，但是精度不高，速度較慢，在最大功率點處容易產生功率震蕩，所以導致效率較低；電導增量法是通過改變光伏陣列的輸出電流和輸出電壓的變化率來實現對MPP 的跟蹤，具有速度快、準確性高等優點[17-18]，所以這里選擇電導增量法作為系統的MPPT 控制策略。

2.2 逆變器并網控制策略

逆變器并網控制器結構圖如圖3 所示，首先通過PLL 鎖相環得到與d 軸同相位的三相電網相位信號ω，再結合ω經過Park 變換分別將三相靜止坐標系下的電網側電流i2a、i2b、i2c和流過濾波電容的電流ica、icb、icc，變換為兩相旋轉坐標系下的直流分量igd、igq和icd、icq；然后通過外環控制器得到外環控制信號idref和iqref，這兩個外環控制信號同ω和Park 變換后的直流分量一起共同作為逆變器內環控制器的輸入信號；各個輸入信號在逆變器內環控制器內部再分別通過PI 控制器和三相PWM 調制器，最終生成PWM 脈寬調制驅動信號，將其送入到DC/AC 并網逆變器從而將第一級Boost 斬波電路輸出的直流電轉變為與三相電網同相位同幅度的三相交流電。

圖3 逆變器并網控制器結構圖

3 仿真結果分析

在LCL 三相光伏并網逆變器控制仿真系統中，采用SunPower SPR-305 作為太陽能光伏組件，則在標準測試條件下（太陽能輻射通量為10 000 W/m2，溫度為25 ℃），光伏陣列各個參數分別如下：最大功率305.226 W，開路電壓64.2 V，短路電流5.96 A，最大功率點電壓54.7 V，最大功率點電流5.58 A。若光伏發電系統額定容量為100 kW，需要328 塊光伏板，設置光伏板并聯數量為33 塊，串聯數量為10 組，則實際裝機容量為100.725 kW。

3.1 光伏陣列仿真結果

在仿真系統中將初始輻射通量設置為10 000 W/m2，得到的光伏陣列輸出特性曲線如圖4 所示。在圖4中，分別設置了3 種不同的溫度：0 ℃、25 ℃和50 ℃，得到了不同溫度條件下的P-U輸出特性曲線如圖4（a）所示，I-U輸出特性曲線如圖4（b）所示。

圖4 光伏陣列輸出特性曲線

3.2 輸出功率

將初始輻射通量和溫度分別設置為10 000 W/m2和25 ℃，在0.4 s 時，將輻射通量設置為600 W/m2，在0.8 s 時，將溫度設置為45 ℃，三相光伏并網逆變器控制系統輸出功率仿真結果如圖5所示，其中圖5（a）為光伏陣列輸出功率波形圖，圖5（b）為系統輸出有功功率波形圖，可以看出逆變器控制系統在0.1 s之內即可達到功率的穩定輸出，并實現了對最大功率點的追蹤，輸出功率和光伏發電系統額定容量保持一致。

圖5 輸出功率仿真結果

3.3 三相并網電壓和電流

設置直流母線電壓為700 V，電網側三相交流電壓為380 V，頻率為50 Hz，則并網電壓和電流仿真結果如圖6 所示。其中圖6（a）為三相并網電流波形圖，圖6（b）為A 相并網電壓和并網電流波形圖，可以看出并網電壓和并網電流能夠保持同相位，無論并網電流隨著環境的變化而如何變化，并網電壓始終保持在設定值。

圖6 三相并網電壓和電流仿真結果

4 結束語

設計了一種LCL 兩級式三相光伏并網逆變器控制系統，其中第一級為DC/DC 直流升壓電路（Boost斬波電路），為系統提供合適的電壓，并在MPPT 控制策略下保證系統工作在最大功率點處；第二級為DC/AC 逆變器，主要作用是實現直流量到并網交流量的轉變和并網逆變控制。并且基于Simulink 設計了兩級式三相光伏并網逆變器仿真系統，仿真結果表明，所設計的并網逆變器控制系統具有結構簡單、可靠性高和運行速度快等優點，輸出的三相電壓和電流始終同相位，能夠達到并網目標，仿真效果良好。