17 kW光伏并网逆变器控制技术研究

金湘，陈谦

（河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100）

17 kW光伏并网逆变器控制技术研究

金湘，陈谦

（河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100）

随着新能源技术的快速发展，光伏并网发电以其独特的优越性成为太阳能开发利用的主流发展趋势。采用由直流电压外环和有功、无功电流内环组成的双闭环控制的方法，并对SPWM和SVPWM两种脉宽调制方式下的系统工作性能进行对比分析。依据所提的控制策略，研制一台17 kW的光伏逆变器样机。由得出的实验结果可见，所提控制方案能够有效控制逆变器输出电流波形。

光伏；逆变器；双闭环控制策略；SPWM/SVPWM；并网

近几年来，大电网的脆弱性引起的几次大面积停电事故给人类生产生活带来巨大的损失。因此，人们开始对电力系统的发展模式另辟蹊径。利用先进的控制技术对新能源[1]和可再生能源在负荷处就近供电的发展提供有力补充和有效支撑。光伏并网逆变器作为光伏并网发电系统的核心装置，其控制优化问题将成为决定系统运行性能的关键[2]。本文在分析了三相光伏并网逆变器工作原理的基础上，设计了基于电网电压定向的并网逆变器控制结构。根据所提的控制策略，研制了一台17 kW光伏并网逆变器并进行了并网实验[3]。

太阳能光伏发电作为太阳能利用的有效方法之一，通常分为独立型光伏发电系统和并网发电系统。由于后者省略了蓄电池作为储能环节，大大降低造价成本；在并网供电时，其不足也可通过电网予以调节，不用过多地考虑负载供电的稳定性和供电质量问题。因此光伏并网发电具有更广阔的市场前景和研究价值。

1 系统结构

非隔离型两级并网逆变器系统因其不含变压器，拥有体积、重量和成本低的绝对优势，迅速得到各国科研人员的重视和工业界的追捧。文中设计的17 kW三相光伏逆变器即为非隔离型两级式光伏并网发电系统[4]，其整体框图如图1所示。

图1 两级式光伏发电系统框图Fig.1 System diagram of double stage type photovoltaic power generation

该结构主要包括太阳能电池板、Boost电路、全桥逆变电路、电感滤波电路和前后级控制电路，其特点是可以让前、后级的控制相互独立。系统的稳定性得以提高，降低了控制难度。

2 前级MPPT控制

光伏电池板的特性与太阳能辐照度、温度等环境因素密切相关，都是高度非线性的。PV模块为仿真中搭建的电池板模型[2]，当环境温度为25℃时，不同光照强度下的P-U特性曲线如图2所示。

图2 相同温度不同辐照度下P-U特性曲线Fig.2 P-U characteristic curve under the same temperature but different irradiance

为达到最高的光能转换效率，可采用MPPT模块实现最大功率跟踪，本文采用扰动观测法。在最大功率跟踪算法中，扰动观测法具有控制概念简单、清晰、被测参量少等优点，被普遍应用在实际光伏系统的MPPT控制中。扰动观测法的流程图如图3所示。

图3 扰动观测法的流程图Fig.3 Flow chart of disturbance observation method

3 后级逆变系统控制

系统的控制结构采用如图4所示的双闭环控制结构，即由直流电压外环和有功、无功电流内环组成[4]。文中采用前馈解耦控制策略，则：

电流内环的动态性能将直接影响到电压外环的控制性能，因此电流环[5]的设计调节至关重要。为提高系统的动态响应，系统采用直接电流控制。由于PI调节器中的比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差，所以采用PI调节器作为电流环控制器，此时电流内环实现了解耦控制。电压环[6]的作用主要是控制逆变器直流侧母线电压，减少对网侧交流电流的干扰，提高电能质量，还有利于功率器件的耐压保护。直流电压外环引入直流电压反馈并通过一个PI调节器实现直流电压的无静差控制。

4 SPWM与SVPWM对比分析

4.1 两种调制方式原理简介

PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术[7]。PWM控制技术有很多种[8]，并且还在不断发展中。SPWM是以正弦波为调制波进行PWM调制的；SVPWM控制技术是以三相对称正弦波电压供电时，交流电动机的理想磁通的圆形轨迹为基准，用逆变器的不同开关模式所产生的实际磁通去逼近基准磁通链的圆形轨迹，并由它们比较的结果决定逆变器的开关方式，形成PWM输出电压波形。

图4 DC/AC逆变系统控制框图Fig.4 Control diagram of DC/AC invert system

对逆变器而言，其输出性能取决于调制算法的优劣，本文将从正弦PWM（SPWM）和空间矢量 PWM（SVPWM）两种调试方式下分别进行研究。

4.2 两种脉宽调制方式下的工作性能对比分析

图 5（a）为 SPWM 调制下并网谐波分析，（b）为 SVPWM调制下并网谐波分析，可以看出SVPWM与SPWM调制方式下系统并网电流谐波中均含有较高的奇次谐波，在相同的开关频率下，SVPWM控制方法的谐波含量更少，优于SPWM控制方法。

图5 两种调制方式并网电流谐波分析Fig.5 Grid current harmonic analysis under two kinds of PWM modulation mode

但是常规的SVPWM实现方法虽然比较直观，却存在大量的非线性运算，且算法复杂，影响SVPWM的执行速度，且SPWM的直流侧母线稳压速度较快。因此，根据不同的工程需要可以选取相应的调制方式。本文考虑系统的开发周期首先在SPWM调制方式下进行样机研发。

5 实验结果

根据以上所提方案，以DSP作为主控制芯片，研制了一台额定功率为17 kW的三相光伏并网逆变器。由于实验条件有限，只利用该样机进行了并网电流跟踪实验。实验波形如图6所示。

图6 三相并网电流、电压示波器波形Fig.6 Three phase current，voltage oscilloscope waveform

由图可知，逆变器的三相并网电流波形质量良好，电流畸变率THD≈3.12%。实验结果表明，提出的电流控制策略能够对并网逆变器的输出电流波形进行有效控制，并网电流质量达到相关标准的要求。

6 结 论

文中通过对17 kW三相太阳能光伏并网逆变系统的深入研究[9]，在研制的样机上得出实验结果。SPWM调制方法具有较强的工程实现性，同时其控制策略能使逆变器输出电流谐波含量降低，输出波形质量好，证明了理论分析的正确性及控制策略的有效性。

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Research on 17kW grid-connected photovoltaic inverter

JIN Xiang，CHEN Qian
（College o f Energy and Electrical Engineering， Hohai University， Nanjing 211100， China）

With the rapid development of new energy technologies，PV grid connected generation becomes the main development trend of solar energy development and utilization with its unique superiority.Based on the principle analysis of the three-phase photovoltaic grid-connected inverter，double closed loop control strategy is proposed.And the two pulse width modulation （SPWM and SVPWM）are compared and analyzed.A prototype of 17 kW is used to make experiments based on the raised control strategy.And the experimental result shows that the designed control scheme can achieve a good control on the inverter output current waveform.

photovoltaic； inverter； two-loop control strategy；SPWM/SVPWM； grid-connected

TM464

A

1674－6236（2013）04-0125-03

2012-10-11稿件编号201210072

金 湘（1988—），女，江苏如皋人，硕士研究生。研究方向：电力电子技术。