光伏并网逆变器控制策略研究

【摘要】随着光伏技术的日益发展，对太阳能的利用逐渐从无电地区发展到有电地区，许多国家都推出了光伏发电计划。在光伏并网发电系统中，逆变器实现把太阳能电池板产生直流电能转化为和电网同频同相的交流电能并且馈入电网，光伏并网逆变器是光伏并网发电系统的枢纽单元。

【关键词】光伏逆变器并网控制

Abstract：With the increasing development of photovoltaic technology, the use of solar energy to electricity area gradually from no development areas have electricity , many countries have introduced a photovoltaic power generation projects. In grid-connected PV system , the inverter to achieve the solar panels generate DC power into the grid with the same frequency and phase of the AC power and fed into the grid , photovoltaic grid inverters are grid-connected PV systems hub unit.

Key wrods:Photovoltaic，inverter，grid connected control

一、引言

太陽能光伏发电，二十一世纪理想的新能源之一。同有限的化石燃料能源相比，太阳辐射能预计在未来100亿年里可保持近似恒定输出，堪称无限的能源 。根据测算，1年内到达地球表面的太阳辐射能总量是当前世界已探明储量的化石能源的一万多倍 。我国是太阳能资源比较丰富的国家之一，全国国土面积2/3以上的地区每年的平均日照时间超过2000小时，具有发展利用太阳能资源得天独厚的优势。可见光伏发电势必成为21世纪最主要的能源之一。

二、光伏并网逆变器总体控制策略

光伏并网发电系统中，并网逆变器多以两级式结构为主，前级为boost升压型的DC/DC电路，后级为全桥逆变电路。光伏并网逆变器把太阳能光伏电池板产生直流电能转化为与电网电压同频、同相的交流电能并且馈入电网。光伏并网逆变器输入是光伏阵列的电压和电流，输出是并入电网的有功、无功功率。大电网电压是一个相对稳定的量，所以对光伏并网逆变器的输出就是并入电网的电流。这样，对光伏并网逆变器的控制，就是对这些输入量和输出量的控制。

两级式并网逆变器的控制流程如图1所示。在图1中，DC/DC变换电路实现电池板的最大功率点追踪，保证电池板始终工作在最大功率输出状态。通过比较不同占空比（D）条件下，输入功率（Ppv=Vpv×Ipv）的大小，来调节D使输入功率始终保证最大。

图1中后级DC/AC逆变部分采用双闭环控制，即电压外环加电流内环。电压外环控制输出有功功率大小，稳定直流母线电压在一个恒定值（不小于满足并网要求的最小值1.414倍电网电压）。首先通过功率换算得到并网电流幅值主参考指令Ig-m* ，同时通过电压外环BUS电压环控制器得到并网电流幅值补偿参考指令Ig-e* ，将两个参考指令相加得到并网电流幅值参考指令Ig* 。由PLL锁相环生成与电网电压同步的正弦参考信号，与电流幅值参考指令Ig*相乘就得到电流内环瞬时电流值参考指令ig*，最后通过电流内环控制器完成逆变器并网电流控制。关于并网电流内环、电压外环控制器内部结构将在后面给出。

在功率控制方面，输出功率直接从输入功率出获得，即直接由输入功率Ppv得到并网电流幅值参考指令Ig-m*，实现了超前控制，降低了对母线电压外环控制器积分的依赖，防止积分饱和。在输入功率突变时，输出能快速地跟随输入的变化而变化，削弱了母线电压冲击，提高了控制系统的稳定性。

三、网压前馈的双闭环并网电流控制

电压外环控制的作用是保证母线电压的稳定，实现输出电能和输入电能的平衡。在两级式拓扑中，实现前级和后级的完全解耦，最终达到模块化控制。当光伏阵列的输出电能大于并网电能时，直流母线电容充电，母线电压升高；当光伏阵列输出电能小于并网电能时，直流母线电容放电，此时母线电容和光伏阵列一起给电网提供电能，母线电压降低。由于实际控制系统中，电流内环的动态响应速度远远大于电压外环的响应速度，因此可以假设并网电流Iac与给定电流是无静差的。电压外环采用PI控制，由于PI控制器跟踪阶跃信号不存在静态误差，可很好实现外环控制。在电压外环和锁相环作用下，得到了内环所需的并网电流瞬时值指令信号，此时问题就转化为如何无差的跟踪电流瞬时指令。

目前，系统控制器比较流行的的控制方式有滞环控制、PI控制及比例谐振(PR)控制等。滞环控制属于实时控制，动态响应快。控制算法简单，但其控制的开关频率不固定，输出电流谐波难以控制。比例谐振控制在固定的频率点能实现无静差控制，对谐波能够有效抑制。但实际设计中，比例谐振控制器由于电子元器件精度及控制芯片采用精度等问题，导致其较难实现。而且当电网频率波动时，控制器并不能有效放大基波信号，抑制电网谐波信号。PI控制器控制简单、易于实现，在工业控制中得到广泛应用。PI控制器对直流信号能够实现无静差跟随，对正弦信号的控制效果相当较弱。但综合系统精度、实现难易度、控制性能等，电流内环控制器采用PI控制器。

电网电压前馈补偿是利用开环方式来补偿扰动信号，其不会改变系统本身特性。如果不采用前馈补偿，控制器必须增大比例系数来提高系统增益，但这样可能导致系统不稳定。而采用电网电压反馈控制的系统则可以选取较小的增益，增加系统的稳定性。加入电网电压前馈补偿后电流内环的控制结构图如图2所示。

四、结束语

随着石化能源日趋枯竭，环境问题日趋严重，绿色清洁新型能源越来越受到各国的重视。太阳能以其高效、清洁等优点，得到了全世界广泛的关注。并网逆变器作为光伏并网发电系统的枢纽单元，在光伏发电系统中起到关键作用。光伏并网逆变器的双闭环控制即保证了并网电流控制的稳态性能又保证了控制的动态性能，在加入网压前馈环节后，很好的抑制了电网电压对并网电流产生影响。

参考文献

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作者简介：凌洋（1988-）江苏宿迁人，安徽理工大学2011级控制理论与控制工程硕士研究生，主要从事智能控制技术研究