三相光伏并网逆变器的控制与研究

张 宁,秦 凯,杨世宁

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院,哈尔滨 150022)

三相光伏并网逆变器的控制与研究

张 宁,秦 凯,杨世宁

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院,哈尔滨 150022)

为有效地使用光伏能源,介绍了光伏并网控制系统的构成和探讨了逆变器的控制方法。在MATLAB/SIMULINK环境下,建立三相光伏逆变器控制系统仿真模型,采用双回路的电压电流控制策略,对采集的数据进行CLARK和PARK坐标变换,然后经过经典的PI调节后送入相应的控制芯片来产生SPWM波形对逆变桥开关进行控制,使系统能够及时检测电网波动,断开逆变器与电网的连接。,通过仿真试验结果证明了该控制算法的正确性与可行性，验证了这种双回路控制策略的有效性。

光伏发电;三相逆变器;PI调节;SPWM

光伏能源已成为一种重要的可持续能源[1]。随着电力电子技术的不断发展,光伏阵列产生的直流电可以将经过逆变电路逆变成的交流电,一部分供用户使用,另一部分可并入电网缓解用电高峰。但是,整个系统逆变能力的高效性是由高频率脉宽调制信号来控制的,所以为了减少自身开关的损耗、不平衡负载下输出电压的非线性以及输出的波动性、电磁干扰和高次谐波的影响,必须提高逆变器的转换效率。在逆变器控制系统中常用的控制器有现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)等[2]。基于此,本文介绍了光伏并网控制系统的构成，探讨了逆变器的控制方法,在MATLAB/SIMULINK环境中建立了三相光伏逆变器控制系统仿真模型,以使整个控制系统产生与电网电压幅值、频率、相位相同的正弦波,然后并入电网中,电网出现波动时能及时与电网断开,保证电网运行的稳定性。

1 并网逆变系统介绍

光伏并网控制系统如图1所示。光伏逆变并网系统主要由光伏阵列、逆变器、LC滤波、负载、控制系统等部分构成。系统对光伏阵列产生的直流电进行储存,经过DC-AC直流升压电路后的直流电作为逆变器的输入级,然后对其直流电采集并进行MPPT跟踪,确保光伏阵列始终工作在最大功率点处[3]。不同的环境温度和光照强度都会影响光伏阵列的输出电流,为了分析简单化,设光伏阵列的工作温度为25 ℃,光照强度为1000 W/m2。控制系统设有电压电流控制模块、电网电压同步模块、SPWM发生器、异常电压或频率检测模块等,主要对逆变电流和电网电压进行采集,并将采集的信号送入DSP控制芯片中,经过控制算法转换处理,输出精确的SPWM控制信号来控制IGBT的通断。通过调节使输出的交流信号稳定,与电网电压同相位、同幅值、同频率,然后并入电网中[4]。

图1 光伏并网控制系统

太阳能电池的输出电流受到环境温度和光照强度的影响,输出电流为

通常情况下光伏阵列由光伏电池串并联组成一个整体作为逆变器的输入级,产生的电流和电压为

VPV=NS[Vref-β(T-Tref)-RS(T-Tref)]

输出的功率为

Ppv=VPV×IPV

在设计中用了72块光伏阵列串并联结构,总的输出直流电压为408 V,功率容量为5.8 kW,经过升压电路将电压升到700 V作为逆变电路的输入级,逆变器输出的线电压为415 V。经过LC滤波电路滤除高次谐波的干扰,使输出的电压波形近似正弦波供负载使用,再对电网电压进行采集、处理,将逆变出的电压并入电网中。

2 控制策略

在逆变器控制过程中,主要分为独立运行和并网运行两种模式[5]。在并网运行之前,系统首先进行独立运行,以输出稳定电压。一旦同步,就进入并网运行模式。独立运行下的双回路控制策略如图2所示。利用PI控制器来调节逆变器输出电压和光伏阵列的输入电压。控制算法中包括锁相环控制、坐标转换、电压比较环节、PI调节和SPWM控制信号发生器等。

在独立运行模式下,逆变输出的三相电压供负载使用,而不与电网并联。经过电压环的控制,输出的三相电压分别为

图2 双回路电压控制策略

经过CLARK和PARK变换到d-q坐标中,再利用50 Hz的锁相环采集相位,使三相电压之间相位相差120°,坐标变换式子为

式中:u(t)为控制器的输出电压,Kp和Ki分别为比例积分增益。产生的误差信号即为基准电压信号与测得的电压信号之差:

e(t)=r(t)-y(t)

PI控制器将系统出现的误差信号比例放大,并利用积分快速调节,直至误差消失[6]。经过这样的控制方式能够使产生的SPWM控制信号的误差保持最小，使系统的输出电压尽可能地接近所要的参考电压，使其结果更稳定[7]。

当系统检测到逆变输出的三相电压与从电网采集到的电压在幅值、频率和相位都同步的情况下,系统给予断路器闭合信号,将系统接入电网开始并网运行模式。并网运行下电流控制策略如图3所示。

图3 双回路电流控制策略

采集逆变输出电流,经过坐标变换与基准电流进行比较再作PI调节。基准电压由电压控制策略直流侧获得,即直流母线电压。Vdc是经PI调节和直流升压后得到的700 V。为防止电网对系统的扰动,当检测到变化时,控制器就会给断路器断开信号,使系统与电网断开,进入独立运行模式。

3 控制信号发生器

在两个环路的最后控制环节都是SPWM的产生环节,经过PI调解后将信号送入控制器,然后产生控制IGBT通断的控制信号。信号产生过程中的载波信号是15 kHz的三角波,SPWM控制中采用的脉宽调制信号是近似正弦波的信号,即为逆变输出波形的基波频率。通过控制占空比来控制IGBT的通断,三角波频率的设定即为逆变器开关的频率。

输出的交流电压中谐波分量的频率为

f=kMffc

式中:fc为控制信号的频率,k为常数,Mf为频率调制指数。

ftri为三角波频率。

由于光伏阵列的输出电压被控制在一定的电压范围作为逆变环节的输入级,输出交流电压的调节关系式为

V0=0.612MaVdc

式中:Vdc为直流输入电压;Ma为振幅调制指数,是控制振幅的比值信号。

式中:AVC为控制信号的振幅,AVtri为三角载波信号的振幅。

参数的选择决定了逆变器输出线电压的基本有效值应保持在0.9左右的范围,以便不出现过调制的现象,可避免输出电压中多次谐波的出现[8]。逆变器输出电压经过滤波器后与电力网络连接,没有使用隔离变压器是因为它体积大、沉重而且昂贵,与三相阻抗负载连接也是如此。在设计和实验过程中,基本可以实现正弦波的输出,经过滤波器可有效滤除高次谐波,截止频率一般设为基波频率的1～2倍即可。

4 仿真模型及结果

在MTALAB中建立的仿真模型如图4所示。逆变输出的三相电压波形如图5所示。从图5可看出,在0.03 s处,波形出现稍微变化,这说明在0.03 s之前,系统工作在独立运行模式,波形近似正弦波,相位相差120°,幅值为1 p.u(240 V),频率为50 HZ,此时控制算法为电压控制策略。在0.03 s之后,输出的电压与电网电压同步,实现并网运行,进入并网模式,控制算法为电流控制策略。

输出的三相电流波形如图6所示。三相电流波形近似正弦波,在0.03 s处电流进行了调节,之后进入并网运行模式。由图6可看出,这种算法能够保证流入电网的电流维持在恒定水平。

光伏阵列产生的功率、负载消耗的功率、电网功率的变化如图7所示。从图7可看出,在并网运行之前(0～0.03 s),由PV产生的功率(5.8 kW)全部消耗在负载上,在并网初期(0.03 s～0.05 s)功率变化微小。当负载功率提高到8.8 kW时,PV输出的功率不变,但电网功率下降供负载使用。当负载功率减低到2.8 kW时,电网功率明显提高,多余的功率将流入电网中。

输出电压和电流的THD如图8和图9所示。在图8和图9中,输出电压和电流的的THD分别为2.48%和4.64%,符合低于5%的IEEE标准。由此说明,电压和电流的控制方法、SPWM的控制方法、实验过程的滤波器设计在整个逆变器系统中可行。当电网电压频率出现扰动时,逆变器的工作状态也会随之发生改变。电网频率增到51 HZ时,输出电压的变化如图10所示。

图4 仿真模型

图5 三相输出电压

图6 三相输出电流

图7 负载变化时功率变化图

图8 输出电压的THD和谐波频谱

图9 输出电流的THD和谐波频谱

图10 电网频率为51 Hz时电网电流和逆变电压

从图10可看出,在0.03 s处监测到电网出现扰动,经过调节器调节直到0.113 s,大约2.65个周期,逆变器输出电压降为0,流过电网电流也为0。这说明当电网出现扰动时,经过监测调节使断路器与电网断开,确保逆变器不对电网造成影响,保证整个电网运行的稳定,同时也保证了设备与后续检测人员的安全。同理,当电网频率减低到49 Hz时,电网电流和逆变电压也有同样的变化,断路器同样会断开,保证电网运行稳定和设备及检测人员的安全。

仿真结果如图11所示。当电网电压发生扰动时,逆变器的工作状态也会随之发生改变。当逆变器开始并网运行时,检测信号变为高,当电网电压出现扰动时,检测信号会变为低。电网电压升高到264 V时电网电压和检测信号如图12所示,电压变为264 V后输出电压的变化如图13所示。

从图12和图13可看到,在0.03 s时检测信号变为高,逆变器开始进入并网运行模式,当电网电压发生干扰时,检测信号变为低,断路器断开,流入电网电流为零,使逆变器与电网断开,逆变输出电压为零。

图11 电网频率为49 Hz时电网电流和逆变电压

图12 电网电压为264 V时检测信号

图13 电网电压为264 V时电网电流和逆变电压

当电网电压降低到211 V时,输出电压同样会发生改变,如图14和图15所示。由图14、图15可看出,在0.03 s开始并网运行,0.065 s时电网电压发生扰动,断路器断开,流入电网电流为零,逆变输出电压为零。

图14 电网电压为211 V时检测信号

图15 电网电压为211 V时电网电流和逆变电压

5 结 语

在MATLAB/Simulink环境下,建立了整个光伏并网逆变系统仿真模型。分别采用了双回路的电压和电流控制算法,对逆变器输出电流、电网电压及相位分别进行采集,将三相的采集数据经过CLARK和PARK坐标变换后,转到d-q坐标系中进行处理。与标准值进行比较并经过PI调节后送入控制芯片中产生相应的控制逆变桥开关的驱动脉冲信号。经过调节后与电网电压完全同步后进入并网运行模式。当电网出现扰动时,采集器能够做出相应的措施,使逆变器与电网断开,保证电网运行可靠性。仿真结果表明,该模型与控制方法能够有效将PV产生的直流电逆变成交流电,并通过控制方法的调节来实现并网运行,在一定程度上验证了该控制算法的正确性与可行性。

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(责任编辑 侯世春)

Study and Control of three-phase photovoltaic grid-connected inverter

ZHANG Ning, QIN Kai, YANG Shining

(School of Electrical & Control Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

In order to effectively use PV, this paper introduced the constitution of photovoltaic grid-connected control system and discussed the control method of inverter. It is the method that adopts the simulation model of three-phase photovoltaic inverter control system established in MATLAB/SIMULINK and double-loop voltage-current control strategy to make CLARK and PARK coordinate conversion on the acquired data so as to control inverter bridge by SPWM wave form generated by the corresponding control chip after the typical PI regulation, which enables the system to detect network oscillation in time and to break the link between inverter and network. Finally, the result of simulation proved the correctness and feasibility of the control algorithm.

photovoltaic; three-phase inverter; PI regulator; SPWM

2015-03-09。

张 宁(1988—),男,硕士研究生，研究方向为供电系统及其安全。

TM615.2

A

2095-6843(2015)05-0441-06