光伏并網逆變器控制策略研究

沈陽工程學院 李 鑫 楊秀敏

伴隨經濟全球化快速發展，全球的能源枯竭與環保問題也日益加劇，引起對再生資源利用的重視，而太陽能因其潔凈無污染、可再生等眾多優勢而被全球所重視。光伏發電可減少能耗、節能減排，是目前世界能源專家所認為的最重要新能源之一[1]。通過光伏變電裝置可實現對于太陽能的高效利用，相比于傳統的化石能源、核能源、水能源，其具有綠色清潔、安全可靠的特點，光伏發電是實現高效利用太陽能的關鍵技術，而光伏并網逆變器則是整個電網能源轉化過程中的核心控制裝置，對光伏并網控制的運行穩定、安全可靠、安全性、高效性都有直接影響[2]。

對光伏發電并網控制系統而言，并網逆變器的實現是整個系統中最為核心技術[3]。逆變器電流控制是通過電網電壓矢量和逆變器所要求的無功功率、或有功功率計算出的電流向量，并由此得到電流向量指示[4]。但這種間接的電流控制技術缺點是對系統參數改變比較敏感；無電流反饋控制器，動作響應緩慢；無法確定輸出電壓波形品質。基于此，本文提出對并網逆變器的輸出有功和無功功率進行控制（PQ 控制）方案，對光伏發電并網逆變器控制策略進行了研究。

1 控制系統總體設計

主電路設計。逆變器的控制方式有電壓源輸入控制法和電流源輸出控制法兩種選擇。所有干線的拓撲結構均采用兩級級聯的方法，前一環DC/DC和后繼環DC/AC 逆變器由中間直流電壓進行相應的連接。前一環DC/DC 電路選用經過MPPT 優化算法，精確了對于Boost 電路的控制，實現了在最大功率狀態下的穩定運行，提高太陽能光伏板轉換效率；DC/AC 電路產生同頻和同相的輸出電流電壓，此階段所有控制部分由TMS320和F2812配合進行。

控制系統硬件設計。要實現對于最大功率點的追蹤控制，必須將DC-DC 轉換器放置到太陽能電池輸出與負荷的中間位置，各自精確測量太陽能光伏電池和DC-DC 變換電路輸出的電壓和電流，再利用APD 變換將數字離散信號輸入到單片機中，單片機所選用的型號一般是AVR 系列的ATtiny15L單片機，經過電路數據剖析計算后輸出PWM 脈沖信號，進而實現對于DC-DC 變換電路中開關元件的控制。對太陽能電池輸出電壓和DC-DC 轉換電路輸出電壓進行精確測量時，均采用了性能優異的差動放大儀，在檢測直流轉直流逆變器電路的輸出電流時，一般應選用在采樣電阻器兩側進行電壓值檢測的方式，放大電路則選用了高壓可編程差分放大電路，而集成放大器的差分增益值則由外圍集成電路所決定。

控制系統軟件設計。當選用ATtiny15L 計算準確測量的電壓和電流時，必須運用獨立編輯加法運算以及除法運算程序，由于DC2DC 變換是利用單片機輸出的PWM 控制開關管完成的，因而程序的最后階段是對PWM 輸出的pwm 占空比加以調整。

2 濾波器設計及PQ 控制

隨著并網逆變器相關技術的進步，對逆變器輸出電能質量的要求越來越高，對濾波器的研究逐漸受到重視[5]。通過研究LCL 過濾器特點，選擇LCLLC 型過濾器，解決LCL 過濾器問題。LCLLC濾波原理是在傳統的LCL 濾波器中，再加上一條諧振支路(Lf與Cf串聯支路)，獲得與諧振支路開關產生高頻諧波相同旁路優勢，且比傳統LCL 濾波器的高頻諧波衰減速率更快。

2.1 LCLLC 濾波器參數設計

本研究在5kW 電流閉環控制并網逆變器的基礎上，計算LCLLC 濾波器相關參數，逆變器參數如下：額定功率P5kW、電網線電壓有效值E100V、直流側電壓Udc200V、逆變器開關頻率f15Hz。假設LCL 濾波器的電容電感與LCLLC 濾波器的相等，用L1表示橋臂測電感，用C 表示濾波電容，用L2表示網側電感。可LCL 濾波器諧振頻率采用以下公式：ω=，令a=Cd/Cf，b=ω1/ω，c=(ω/ωs)2，通過圖3可活動LCLLC 濾波器傳遞函數，具體見公式：G=ig(s)/ui(s)=LfCfs2/(L1L2LfCfCds5+(L1L2(Cd+Cf)+LfCf(L1+L2))s3+(L1+L2)s)。

式中，串聯支路電感為Lf，串聯支路諧振電容為Cf，濾波器濾波電容為Cd，串聯支路的諧振頻率和主電路開關頻率相同，因此支路諧振頻率ωs可表示為經ωs推導獲得LCLLC 濾波器的諧振頻率ω1和ω2表達式，具體見公式：

通過以上可知，固定系統頻率、支路諧振頻率不變時，LCLLC 濾波器第二個諧振頻率ω2的尺寸由a 值大小決定，可采用所希望的ω2，經計算獲得了電容Cd和Cf之間的最大差值a。可按照LCL 濾光器的參數設計方案設定LCLLC 濾光器和電路相關參數。

電感L1設計。在設計電感L1過程中，設置橋臂測電流可接受誤差畸變率THD=10%，并網逆變器調制度m=0.9，則可獲得公式式中的Lb計算公式為Lb=E2/(100πP)。

總電容C 設計。一般由電容濾波所產生的無功損耗不可超過3%，所以濾波電容須設置最大限值，具體見公式（2）：C ≤3%Cb=47.77μF，式中電容基準值為Cd：Cd=P/(100πE2)，選取C=30μF，因電容Cd、電容Cf的比值和ω 存在關聯，因此取Cd=20μF，Cf=10μF；網側電感L2設計。由公式L2≈L1/(L1Cω12-1)=0.000783mH，可選取L2=0.0008mH 作為仿真參數。

諧振電感Lf設計。在已知諧振電容Cf條件下，由公式Lf=1/(Cfω2sw)=11.25μF，可計算出諧振電容仿真參數及LCLLC 濾波器仿真參數，LCLLC 濾波器仿真參數如下：總濾波電容C30μF、網側電感L20.0008mH、橋臂電感L10.1mH、電容Cd20μF、電容Cf10μF、諧振電感Lf11.25mH。

2.2 PQ 控制

在光伏發電控制系統中，并網逆變器的功能是通過控制小功率開關器件的打開和閉合順序，將由太陽能所產生的直流電轉化為與電網壓力頻率和相位相同的交流電。PQ 的主要作用是調控并網逆變器的輸出功率，公式（3）為電網三相電壓間的關系：

將靜止abc 坐標系通過pack 變換轉換到dq 坐標系，從而使解耦得到實現。PQ 控制在逆變器并網模式下可轉化為基于電流控制的PQ 控制。PQ 控制器是將反饋電壓信息iL、電流參照值i 進行有效聯系，這是選取電流環PI 控制器主要目的，在達到零差狀況后可將非線性擾動對系統負面影響降低。微電網系統在PI 控制作用下零差狀況達到后，其輸入輸出電量可達到給定參照值，同時穩定工作。在微電網維持恒定的輸出電壓時，供電負荷的電壓與電網電壓相同可得到保障，微電網輸送電流變化具有與正弦曲線趨于一致的波形。對于三相不均勻負荷來說，提高光伏發電系統會對其產生危害的抵抗性。有功和無功輸入輸出可保持其靈敏度。

綜合運算電網電壓的前饋控制量、三相電流的解耦狀量、PI 控制器的輸出量，在旋轉坐標系下，可將逆變系統電壓參考量的投影量Ud和Uq計算出來。dq 變換公式：ud=ed+(kp+(ki/s))(i＊d-id)-ωLig、uq=eq+(kq+(ki/s))(i＊q-iq)-ωLig，其中三相交流電中的電壓值、電流值及兩者間相位角在鎖相環（PLL）的作用完成park 變換，從而獲取兩相dq 分量。經由公式Pref=udid+uqiq=udi＊d、Qref=-udi+uqiq=udi＊d計算出逆變器輸入有功無功功率值。在這里，無功功率輸出大小控制在0，有功功率輸出大小控制在10kW，經公式1～3計算可得參考電流I＊d=26A，I＊q=0A。

2.3 仿真結果

直流側光伏電源模塊被700V 的直流電源代替，在長時間離網的狀況下，模擬實驗并網逆變器控制系統動態反應效果，本次仿真增加了斷路器控制，在系統開始運行的0.05s 時連接主電路，電路在0.15s時切斷，并觀察控制系統的反應狀態。

通過圖1和圖2的MATLAB 仿真實驗波形，在0.05s 處并網逆變器系統啟動工作，電網在0.15s 切斷后立即停止，且與電網開斷時所需反應時間約為0.01s，系統隨后可迅速恢復正常，動作響應迅速，在整個工作中均輸出比較平穩的電壓與電流，達到目標期望，證明該控制策略能有效控制并網逆變器的輸出。

圖1 網側電壓波形圖

圖2 逆變側電流波形圖

3 結語

本文分析了光伏發電并網逆變器控制策略，提出一套控制網逆變器的輸出有功和無功功率的具體（PQ 控制）方案，得出如下結論：

本文采取最大功率因數跟蹤監控方法，以TMS320F2812為主芯片，以同頻同相位傳感輸出電流和電壓作為主要的檢測數據，實現輸出電流與電壓同頻同相；在0.05s 處啟動并網逆變器系統，電網在0.15s 時切斷后停止，所需反應時間在電網開斷過程中大約為0.01s，此后可迅速恢復正常，在整個工作工程中輸出電壓電流波形均比較平順；軟件的功能設計通常有大輸出功率和反孤島功能，在輸出電壓波形設計良好的條件下，系統平穩安全、可接入電網，并為中小型太陽能光伏能源并網提供足夠技術支持，確保其順利運行，為太陽能資源的開發利用創造一條新途徑。