单相光伏并网逆变器控制策略研究与设计

陆磊磊，罗耀华

（哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江 哈尔滨150001）

0 引 言

光伏发电以其低碳、环保以及可以就地使用的特点，获得了较快发展，在分布式发电中拥有较高的应用价值。但是随着光伏并网设备的不断增多，并网电流谐波带来的电网污染也越来越引起关注。本文提出了基于电流瞬时值控制和PID控制相结合的控制方法，可使系统具有良好的动态性能和较高的跟踪精度。为使太阳能电池工作在最大功率输出点上，并且有较快的跟踪性，设计了一套优化MPPT算法。论文所设计的单相光伏并网逆变器样机采用ST M32F103型芯片作为控制核心来实现算法。使用三菱公司PM75RLA120型IPM作为功率器件。实验结果显示该逆变器具有良好的静态和动态性能。

1 主电路研究

单相光伏并网发电系统的拓扑结构为如图1所示的单级式拓扑结构。其中A为光伏电池阵列，B为基于ST M32的控制系统，C为IPM功率开关器件，D为EMI输出滤波器和单相工频变压器。

通过控制器向光伏并网逆变器的左右两个桥臂输入单极性的PWM波形，光伏逆变器输出与电网电压同频同相的正弦波，经电抗器L滤除掉载波高频分量后输出高质量的正弦波馈入电网。

论文采用电流瞬时值控制方案，通过最大功率点跟踪MPPT（Maxi mum Power Point Tracking）控制得到并网电流幅值基准，再通过软件锁相技术得到电网电压的相位，计算出电流瞬时值给定iref，通过PI控制和电压前馈控制，得到PWM驱动信号来驱动全桥逆变器的四个开关管。基于该控制方案的光伏并网逆变器并网电流波形质量好、功率因数高、谐波含量较低。

图1 光伏并网逆变器系统框图

光伏逆变器并网后，逆变器输出电压Uo被电网电压箝制在有效值220 V，可视其为电流源。此时改变占空比D将会改变并网电流Is。通过最大功率点跟踪获得给定电流基准Iref，与电网电压信号相乘后得到实时的给定电流iref，通过PI调节和电网电压前馈调节后得到PWM信号驱动IPM。

2 并网电流的控制

系统采用了固定开关频率的电流瞬时值控制算法。并网电流的控制框图如图2所示。

图2 并网电流控制框图

因为逆变器开关频率为20 k Hz，远远高于电网频率，可将PWM逆变器单元视为一个前向通道增益环节Kspwm。R为滤波电感的等效串联电阻。e－Ts为PWM输出电路的延迟等效环节。Gf（s）为并网电流检测环节。Gc（s）为PI调节器，其传递函数为：

由图2可得到：在给定电流iref作用下，将电网电压Un视为干扰量。控制系统传递函数为：

误差量为iL＊

引入电压前馈环节Gu（s）后，并网电流的控制框图如图3所示：

图3 加入电网电压前馈电流控制框图

加入电压前馈环节后，前馈运算产生的U＊与电网电压的差值在一个载波周期T内积分为零即：

因此，加入电网电压前馈环节后，可以在每个载波周期内消除电网电压扰动对并网电流的影响，这样在对电网电流的控制过程中，无需考虑电网电压的影响，使系统简化为无源电流跟随系统，提高对电网电流的跟踪精度。

由于系统硬件产生PWM波形有一定的延时，这个时间可以看作一个延时环节e－Ts。其中时间常数T即PWM的载波周期Ts。这个延时环节会影响到并网功率因数，并且增加电流谐波含量。因此在并网电流检测环节里加入电流预估环节eTs，抵消前向通道中e－Ts的影响，达到校正并网电流的目的。

电流预估环节公式为：

其中I（tn）为本次载波周期内并网电流采样值，I（tn－1）和I（tn－2）为前两次载波周期并网电流采样值，根据上式，可以预估出下一载波周期内并网电流的理想采样值。引入此预估环节后有助于减轻硬件系统产生PWM波形延迟所带来的有功功率因数降低问题。电网电流反馈环节Gf（s）的传递函数：

加入电网电压前馈环节和二阶电流预估后系统的闭环传递函数为：

经过系统稳定性判断可知：加入电网电压前馈后和二阶电流预估后，单相光伏并网逆变器仍是稳定系统，系统的动态性能只与积分环节的时间常数Tc有关。

常用的数字PI主要有两种：位置式PI和增量式PI。位置式的缺点就是积分饱和，当控制量已经达到最大时，误差仍然在积分作用下继续累积，一旦误差开始反向变化，则系统需要较长时间从饱和区退出。而增量式PI不存在这个问题。由上式，增量式PI不存在累计误差，控制更为简单，也就简化了控制算法。本文采用增量式PI调节方式。

3 最大功率点跟踪（MPPT）

逆变器设计的最大功率点跟踪通过一种优化后的扰动观察法实现。传统的扰动观察法跟踪方法简单，调节精度高，所需采集的模拟量少，但是跟踪速度慢，只适用于外部光照环境变化较为平缓的情况。而本设计优化了扰动观察法，可适应外部光照变化较大的环境。通过多次实测统计：光伏电池在最大功率点处电压约在开路电压的75%～90%之间，据此可以优化MPPT算法。优化后的MPPT算法流程如图4所示。

4 实验结果分析

制造了一台5 k W单相光伏并网型逆变器实验样机，样机的主要参数为：滤波电感2.5 mH，功率开关的开关频率为20 k Hz。逆变器并网输出电流为10 A时的逆变器输出电流波形和电网电压波形如图5所示。其中A为电网电压波形，B为并网电流波形。在较小的并网电流情况下的电流及电压波形如图6所示：

图4 优化的MPPT控制流程图

图5 逆变器输出电流波形与电网电压波形

图6 较小的输出电流波形与电网电压波形

由图可知：电网电压和电网电流相位频率一致，在小并网电流情况下依然满足现场使用要求。

5 结 论

本文采用了固定开关频率的电流瞬时值控制技术，加入了电压前馈控制及二阶电流预估环节，成功地研制出基于ST M32的5 k W单相光伏并网逆变器。该逆变器具有良好的静态及动态性能。通过优化了MPPT算法，使逆变器稳定工作在最大功率点上，适应较宽的光照变化范围和良好的快速性。

［1］ 林渭勋.现代电力电子电路［M］.杭州：浙江大学出版社，2002.

［2］ Woyte A，Bel mans IL Nijs J.Islanding of grid－connected AC module inverters［C］.Proc.28th IEEE Photovoltaic Specialists Conf.Anchorage.AK：IEEE.2000：1683－1686.