双级式光伏并网逆变器控制算法研究

杜毅，彭良平，汤济泽

（东方日立（成都）电控设备有限公司，四川 成都 611731）

1 引言

现代光伏并网发电技术分为2个方面，一方面是以集中型光伏电站为主导的并网技术，另一方面是以家庭用户为主的户用型并网发电。户用型并网发电技术可以克服日照分散性的缺点。除此之外，将电池板安装在屋顶之上，可避免占用大量空地面积；户用型并网逆变器在电网终端并网，所发出电能被负载就地消耗，减小了电能在传输过程中造成的损失。这样在灵活性和经济性上，都比光伏电站具有更大优势。

在户用型并网发电中，双级式光伏并网逆变器具有体积小、重量轻、价格便宜等诸多优点。本文对其控制算法进行详细研究。

2 光伏并网逆变器工作原理

双级式并网逆变器的拓扑结构如图1所示，包括Boost和全桥逆变器电路。Boost电路完成升压控制和MPPT，逆变器电路保证顺利并网和将电池板发出的功率稳定良好地输送到电网。

图1 双级式光伏并网逆变器主电路结构Fig.1 Main circuit structure of two-stage PV grid-connected inverter

2.1 Boost电路控制算法

Boost要完成2个任务：一是在启动时，若太阳电池板电压小于母线额定电压时，Boost电路应能完成升压，使母线电压达到并网要求；另外，就是要完成太阳能电池板的最大功率追踪。下面分别对其进行研究。

2.1.1 Boost软充电技术

Boost电路由于在系统中属空载运行，对其实行软充电技术可以保证Boost在母线电压比较低时快速充电，而在快要接近母线电压时，放慢充电速度，减小母线电压过冲［1］。

软充电方式控制流程如图2所示，假设母线电压额定值为400 V。在程序执行时，先判断母线电压是否超过额定电压400 V，若否，则开始充电控制。通过SoC（state of charge）判断当前电压是否接近额定值，若SoC＜0.9，则表示当前电压值远小于额定电压，加速充电，若否表示当前电压已接近额定电压，则开始减速充电。

图2 Boost软充电控制流程Fig.2 Boost soft charge control process

2.1.2 MPPT技术

太阳能并网逆变器中，要充分发挥光伏电池板的效能应保证电池板随时最大功率输出。在双级式并网逆变器中，通常由Boost电路来完成MPPT控制。

根据光伏电池dp/dU变化特征如图3所示，当电池板工作在最大功率点，以及最大功率点两侧时，dp/dU符号不一致。若dp/dU＜0，则在最大功率点右边，需要减小U来靠近最大功率点；若dp/dU>0，则在最大功率点的左边，这需要增加 U来靠近最大功率［2］。这种实现MPPT的方法称为功率扰动法，简单有效，具体实现流程如图4所示。

图3 光伏电池dp/dU变化特征Fig.3 Photovoltaic cells dp/dU variation characteristic

图4 P&O控制流程Fig.4 P&O control process

2.1.3 MPPT算法的2个实际问题

MPPT算法除了用于寻找最大功率点外，在实际系统中还应该注意一些应用问题。比如最大功率限制输出以及逆变器降额运行等。

最大功率限制输出，在实际使用中，要求并网逆变器在发现输出功率超过额定容量时，应能够保证MPPT不再继续找最大功率点保持当前输出。最大输出的处理方法简单，只需要每次在进行MPPT前对当前功率进行判断。若当前功率超过Pmax，则保持Duty即可，否则继续寻找最大功率点。

逆变器降额运行，即逆变器由于天气炎热，系统满功率运行。模块环境温度超过警戒线，系统要求逆变器降额运行。此时MPPT则不再以寻找最大功率点为目标，而要求能够降低逆变器输出功率到指令值。此时，要求MPPT算法应能够朝功率减小的方向逆运行，逆运行程序流程如图5所示。

图5 P&O逆运行控制流程Fig.5 P&O inverse operation control process

2.2 逆变器电路控制算法

并网逆变器在与电网相连接时，通常要求并网电流与电网电压相位一致来实现顺利并网。与常规的逆变器把输出电压作为控制目标不同，并网逆变器要求对输出电流进行控制［3］。

2.2.1 并网控制算法

双级式并网逆变器通常要求前面Boost电路实现MPPT，而后级逆变器电路完成能量的转移，这样就完成了能量的解耦控制。这要求逆变器在运行中，直流母线能够保持恒定。中间母线电压的恒定和系统输入输出功率有直接关系，当Boost输入功率大于逆变器输出功率，则母线电压升高；当Boost输入功率小于逆变器输出功率，则母线电压降低。根据中间母线电压对能量的影响，用该原理对参考电流进行控制［4-5］，控制框图如图 6所示。

图6 并网逆变器控制框图Fig.6 Grid-connected inverter control block diagram

2.2.2 并网启动

逆变器并网过程有2种情况：直接并网和间接并网。直接并网为电池板开路电压满足并网要求时，无需Boost电路对母线电容进行升压，逆变器直接并网运行；间接并网为电池板开路电压低于并网最低要求，需要Boost先将母线电压升高到一定水平逆变器才能发出并网指令。

间接并网，当电池板开路电压低于母线电压并网最低要求时，系统先通过Boost电路对母线电压进行升压控制。当母线电压达到400 V，逆变器发出并网指令。逆变器开始缓启动，输出并网电流慢慢增加到达最大功率点，稳定输出。

直接并网，当配置的太阳能电池板电压高于并网指令最低要求，逆变器可直接并网。在并网时，需要对电压环给定电压进行控制。若电池板开路电压远大于给定电压时，直接并网使得母线电压震荡，引起超调现象，电流输出不平稳。需要对其进行改进。

改进方法是系统首先检测电池板开路电压Uoc。根据Uoc大小，决定以哪种方式启动。若电池板开路电压大于阀值Ugate，逆变器给定电压采取从开路电压Uoc到400 V逐步给定。

对比改进前后的母线电压波形如图7所示，可知改进后母线电压平稳下降，因此保证了逆变器输出功率的平稳输出。

2.2.3 低功率减小逆变器输出电流谐波算法

并网逆变器在输出功率很小的情况下，并网电流波形畸变率会很高。给出一种在低功率状态下，改善输出电流波形质量的方法。

图7 母线电压波形Fig.7 Bus voltage waveforms

逆变器输出电流的纹波为

由式（1）可知，逆变器输出电流的纹波与母线电压Udc、电网电压ugrid、滤波电感L以及开关管输出频率fs有关。在逆变器一定的条件下，可通过修改母线电压和开关频率来减小纹波电流。由于双级式并网逆变器电压外环Udc给定值可调，所以可通过修改母线电压Udc来降低纹波电流最为简单。

图8展示了母线电压在同等低功率输出条件下并网电流波形情况，可知Udc降低后能够使得输出电流波形质量变好。验证了算法的有效性。

图8 并网电流波形Fig.8 Grid-connected current waveforms

3 仿真分析

分别对Boost充电控制、MPPT以及对电压外环，电流内环的逆变器在Matlab/Simulink中建立仿真模型，对本文所提出的控制算法进行验证。

3.1 MPPT控制技术

采用电压源串电阻的方式来模拟太阳能电池板，设定电压源电压为400 V，串联电阻R=10 Ω。则电池板功率曲线如图9所示。

针对MPPT的2个应用问题，对MPPT算法进行改进。假设MPPT最大功率限制输出为3 000 W。则由图10的仿真波形可知，在0～0.02 s区间内，MPPT在找到3 000 W的功率点时不再继续向上寻找最大功率点；另外，在0.02 s时发出降额指令要求MPPT能够反追踪功率点到2 500 W且达到稳态，输出仿真波形可知设计的MPPT能够满足要求。

图9 直流源功率曲线Fig.9 DC source power curves

图10 MPPT算法输出功率波形Fig.10 MPPT algorithm output power waveforms

3.2 软充电控制

由图11占空比和母线电压波形可知，由于开始母线电压值远小于额定电压，Boost增加占空比来加速充电；当占空比增加到最大值时，保持占空比进行充电；当母线电压接近额定值时，占空比开始减小，充电速度放慢；当母线电压充到额定值时，占空比为0，开关管关断，Boost停止充电。

图11 占空比和母线电压波形Fig.11 Duty cycle and bus voltage waveforms

3.3 逆变器并网仿真分析

对采用电压外环、电流内环的逆变器进行仿真分析。由图12可知，并网逆变器能够保证逆变器输出电流与电网电压相位一致，电池板发出的电能能够稳定地送入到电网。

由图13可知，逆变器电压外环控制能够保证母线电压恒定。但是有二次纹波电压波动，这与单相逆变器本身特性有关。

图12 并网电流与电网电压波形Fig.12 Grid-connected current and grid voltage waveforms

图13 逆变器母线电压波形Fig.13 DC bus voltage waveform of inverter

4 实验结果

针对以上算法，采用SH7137作为并网逆变器控制芯片，对逆变器启动和并网进行实验验证。样机主回路实际参数如下：电感L=L1=L2=1.5 mH，输出滤波电容 C=2 μF，逆变器开关频率 fs=15 kHz。实验时，电网电压为 320sin(ωt)，模拟直流源开路电压210 V，串联电阻5 Ω。MPPT电压范围为200～400 V。

由图14可知，在电池板开路电压210 V小于并网电压400 V最低要求时，由Boost首先对中间母线电压进行升压控制，保证母线电压满足并网要求。当逆变器达到并网条件后，逆变器后端继电器合闸，逆变器开始并网工作，输出电流逐渐增大到稳态。

图14 逆变器启动时母线电压及并网电流Fig.14 Bus voltage and grid current of inverter starts

图15给出了经过逆变器中间直流母线电压及其二次纹波电压与逆变器输出电流波形，发现其能稳定在给定电压，验证了电压外环算法的有效性。同时，观察到逆变器母线电压以二次纹波脉动，这和单相逆变器母线电压不可避免地存在2倍于电网频率波动相吻合。

图15 母线电压及其二次纹波电压Fig.15 Bus voltage and the secondary ripple voltage

图16给出了逆变器在稳态输出的情况下，并网电流与电网电压波形。由波形可知并网电流与电网电压功率因数近似为1，实现了输出电流与电网电压同频同相功能，逆变器发出的功率能够稳定地输送到电网。

图16 并网电流与电网电压Fig.16 Grid current and grid voltage

5 结论

本文基于户用型双级式光伏并网逆变器，讨论了其Boost和逆变桥控制算法。结合实际应用情况，对MPPT进行了改进。验证了改进的MPPT可以具有最大输出限制以及逆运行特性。此外，对采用电压外环、电流外环的逆变器桥进行了仿真和实验验证，结果验证了算法的有效性。

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［2］ 张超.光伏并网发电系统MPPT及孤岛检测新技术的研究［D］.杭州：浙江大学，2006.

［3］ 焦阳，宋强，刘文华.基于改进MPPT算法的光伏并网系统控制策略［J］.电力自动化设备，2010，30（12）：94-95.

［4］ 张彦，赵义术，余蜜，等.光伏并网逆变器电流控制技术研究［J］.电力电子技术，2009，43（5）:30-31.

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