单相光伏并网逆变器控制策略的比较研究

吴威

（扬州市供电公司，江苏扬州 225000）

当今社会，不可再生能源的日益紧缺以及环境污染的日益加剧，使得太阳能等可再生能源的利用受到了学术界和工程界人士的强烈关注。光伏发电技术也因此得到了快速的发展。并网逆变器是光伏发电系统的核心器件，其拓扑结构的设计和控制策略的选取直接影响到整个系统的性能。因此，逆变器控制策略的研究成为了当下的热点之一[1]。

1 光伏并网逆变器

1.1 逆变器拓扑结构

并网逆变器主要完成两个任务：1）实现光伏电池的最大功率点跟踪；2）向电网输送与电网电压同频同相的正弦电流。图1为两级式单相光伏并网逆变器的拓扑结构，其中包括BOOST电路和单相全桥电路。前级主要实现将电池端电压上升到并网所要求的电压，并能对光伏电池进行最大功率点跟踪；后级主要实现并网电流与电网电压的同频同相控制以及直流母线电压的稳定。

图1 主电路拓扑结构Fig.1 The topology of the main circuit

基于图1的拓扑结构，构建出主控制流程图，如图2所示。其具体控制过程为：前侧分别采样光伏电池的输出电压、电流，经过MPPT环节，产生参考电压Upvref，再与实际电压相减，经过调节器1后生成PWM波，控制BOOST电路工作。后侧逆变环节，将直流母线参考电压Udcref与采样电压Udc相减，差值经过调节器2之后乘以单位电网同步信号，得到参考电流Iref信号，该信号再减去电网采样电流Ig，其结果通过调节器3后再与电网电压前馈信号相加，得到控制信号，驱动逆变器工作[2-3]。可见，由于前后两级的控制目标相互独立，使得控制策略实现了解耦控制。

图2 系统主控制框图Fig.2 The main control structure of the PV system

1.2 逆变器控制策略

图3 电流内环控制图Fig.3 The control structure of the current inner loop

1.2.1 电流内环控制

电流内环控制结构如图3所示，图中已引入电网电压前馈控制。由于逆变器开关频率为10 kHz，远高于电网频率，为了便于分析，可忽略其对系统的影响，将PWM逆变单元看作一个增益环节。

对图3中的电网电压Ug进行单独分析，提出其数学关系式

因此，要消除Ug的影响，应取K=1/KPWM。则电流内环控制的闭环传递函数为

这样，通过引入电网电压前馈，在理论上消除了电网波动对系统的影响。

1.2.2 引入功率前馈的电流内环控制

引入功率前馈控制[5]，就是在参考电流中加入能反映光伏电池输出功率的信号。当光伏电池输出功率发生变化时，参考电流也随即改变，加快了并网电流的响应速度，同时也减小了直流母线电压在该过渡过程中的波动。其控制图如图4所示。

图4 引入功率前馈的主控制框图Fig.4 The main control structure with inputpower feed-forward

由图4可知，分别采样光伏输出电压、电流以及电网电压，根据式（3）计算得到附加的电流参考值Ifd。式中，U为电网电压有效值。

则新的电流总参考值为

式中，Irefamp为电压外环调节所得到的参考值。

由于功率前馈控制的引入，缓解了直流母线电压外环的调节压力，输入功率的变化情况直接反映到逆变器侧，因此，母线电压波形也得到了较为显著的优化。

2 仿真实验及波形分析

2.1 仿真实验

基于上面的分析比较，分别就两种控制策略搭建了光伏并网系统的仿真模型，在此，仅贴出带有功率前馈控制的模型。其中，根据文献[6]的数学模型，搭建了光伏电池的仿真模型，系统模型中的MPPT环节，采用使用较为广泛的扰动观测法[7-11]，通过对扰动步长的合理选择，达到跟踪速度与稳态精度的平衡。系统仿真如图5所示。部分仿真参数：电网峰值55 V，频率50 Hz；直流母线电压参考值为100 V。仿真时间2 s，开始工作在标准情况下（光照强度1 000 W/m2，温度25 ℃），在1 s时刻，光照强度由1 000 W/m2降到600 W/m2。

图5 光伏并网系统仿真模型Fig.5 Simulation model of the PV grid-connected system with input power feed-forward

2.2 波形分析

图6 电压前馈控制直流母线电压波形Fig.6 The waveform of the DC bus voltage with voltage feed-forward

图8 电压前馈控制并网电流波形Fig.8 The waveform of output grid-connected current with voltage feed-forward

由图6所示，电网电压前馈控制的直流母线电压最低下探到96.60 V，并在1.34 s才基本达到新的稳定，误差在±0.25 V以内；而由图7所示功率前馈控制的直流母线电压最低仅下探到98.25 V，并很快在1.32 s基本实现新的平衡，误差在±0.25 V以内。图8和图9表明，输入功率突变时，电压前馈控制的并网电流需要经过0.42 s才趋于稳定，而功率前馈控制的并网电流在0.36 s后即趋于稳定。本仿真对两种控制策略的差异仅做示意性验证，下一步将在硬件并网实验中作进一步比较。仿真结果表明，功率前馈的双闭环控制较电压前馈的双闭环控制，具有更稳定的直流母线电压，以及更优越的电流动态响应。

图7 功率前馈控制直流母线电压Fig.7 The waveform of the DC bus voltage with input power feed-forward

图9 功率前馈控制并网电流波形Fig.9 The waveform of output grid-connected current with input power feed-forward

3 结语

本文介绍了单相两级式光伏并网系统的拓扑结构以及控制策略，并将带有电网电压前馈的双闭环控制与带有功率前馈的双闭环控制做了比较分析，建立了仿真模型。仿真结果表明，带有功率前馈的双闭环控制策略能够更快地响应光伏输入功率的变化，减少并网电流的调节时间，保持直流母线电压稳定在较高的水准，具有更优越的动态性能。

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