基于准PR控制的三相光伏并网逆变器研究

刘倩丽， 龚 力， 张小华

(湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068)



基于准PR控制的三相光伏并网逆变器研究

刘倩丽， 龚 力， 张小华

(湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068)

在光伏发电并网过程中，为避免光伏发电系统的耦合影响电网质量，提出一种更为简单的三相并网逆变器的控制策略。利用 MATLAB/SIMULINK 建立在两相静止坐标系下三相并网逆变器的数学模型，采用外环为功率环,内环为电流环,选择准比例谐振(PR)控制器实现电网电流的控制，最后得到了三相并网逆变器的控制系统。通过仿真实验，验证了控制策略的可行性。

光伏并网； 逆变器； 准比例谐振(PR)控制器； Simulink 建模

逆变器是一种将直流电转换为交流电的装置，也可称为逆变电源，可以输出与国家电网要求一致的50 Hz正弦交流电，提供给需要移动供电的地方或者是无电地区使用。将太阳能电池通过光生伏特效应产生的直流电转换成交流电并传输到电网上，是作为一种电网与太阳能电池的接口装置[1]。随着现代逆变技术的快速发展，光伏并网发电系统的使用和推广得到了强有力的技术支持。目前并网逆变器正向着高效、高可靠性、智能化的方向发展，影响着整个光伏系统以及电网的正常可靠运行、并网供电质量、系统成本。

1 三相逆变器数学模型

电网对逆变器的要求很高：一要能稳定直流模块与交流模块之间的直流侧电压；二要保证逆变器侧输出的电压电流与电网的电压电流同步，即在幅值、相位、频率上要严格保持一致；还要使输出功率达到最大值，即功率因数尽可能接近1[2]。要选择合适的三相并网逆变器控制策略，以及分析控制后的逆变器稳态与动态性能，需要建立三相光伏并网逆变器的数学模型[3](图1)。

图1 三相并网逆变电路

在图1中，利用基本的电路原理(KVL)建立起a相回路方程

(1)

ua=uaN+vNO=vdcTa+vNO

(2)

将式(2)代入式(1)中可得到

由此可以得三相并网逆变器建立方程组

其中,k=a,b,c

2 两相静止坐标系下的控制策略分析

传统PI控制器不仅算法简单而且动态响应速度快、稳定性比较好。但此系统中若采用传统PI控制器,在两相静止坐标系下不能实现交流电的无静差控制，需要将控制信号转化到同步旋转坐标系下执行。同时，为了实现解耦控制，获得良好的动态性能,还需引入交叉耦合项与前馈补偿项，但这样会导致系统的动态稳定性能受到扰动。在静止坐标系下

PR控制器能够对交流信号进行无静差调节，不仅不存在耦合项及前馈补偿项，而且鲁棒性好，还能够提高逆变器的输出电能质量，实现低次谐波补偿。式(3)为PR调节器的传递函数[4]

(3)

其中ω0为基波角频率，kp为比例增益，ki为振荡项增益。

在实际应用中，当电网电压受到扰动，产生非谐振频率时，由于其振荡项增益ki值太低，对电网中的谐波抑制效果不好。基于上述缺点，在PR控制器的基础上做出了一些改进，提出了一种准PR控制器——QPR控制器，其传递函数

(4)

准PR控制器用于并网控制时，ω0是恒定不变的，所以只需确定kp、kr和ω0三个参数。其控制框图见图2。

图2 基于两相静止坐标系的控制策略

3 仿真结果与分析

根据前面的理论分析，利用MATLAB/SIMULINK仿真软件，对光伏发电并网装置中的逆变部分进行仿真。为了避免系统复杂、仿真耗时过长等问题，仿真模型中的电网和多个微电源全部由理想电压源代替，负载由电阻等效。由图3可知，光伏并网发电系统的输出电压、电流波形比较光滑，谐波成份含量低，是标准的正弦波，其频率、相位与电网电压一致，表明光伏发电系统的稳态性能较好，可以实现高功率因数并网。图3所示为光伏并网发电系统的输出电压和电流波形。

图3 光伏并网发电系统的输出电压和电流波形

图4是电流为15A时公共母线上a相的电压和电流的仿真波形。当光伏发电系统与市政电网并网运行稳定时，公共母线上a相电压和电流波形见图4，可知a相输出电压电流波形正常，由FFT分析可知基波分量占输出电流总量的百分比较高，高次谐波含量较低，电压谐波畸变率为2.53%，满足并网的要求。光伏发电系统可以与市政电网联网一起给负载供电，能较好地抑制并网电流的谐波含量。

图4 公共母线上的a相的电压和电流的仿真波形

当系统工作在稳定状态，输出电流为15A时，若负载在2.00s时间点突然发生改变，电流增加为20A，此时，太阳能微电网与市政电网各自输出的电流动态响应波形见图5。当负载突然变化时，其他电流也会相应地发生改变，分析图5可知，光伏并网发电系统和市政电网在0.01s内就能调节并稳定电流，其动态响应性能很好。

图5 负载突然变化时二者输出电流动态响应波形

图6为逆变器在两相静止坐标系αβ下采用QPR控制器的控制仿真波形。从图6中可以看出，在αβ坐标系下的仿真波形电压谐波畸变率为2.71%，谐波含量较小，验证了本文设计的PR控制器能使逆变器侧输出高品质的电流，提高系统的性能,适合应用于三相光伏并网逆变器系统中。

综合上述仿真实验结果可知，采用QPR控制原理，能达到并网的要求。当系统负载突然变化时，运行过程中发生振动，太阳能微电网与市政电力能够很好地协调运行，保证系统运行稳定，完全满足联网运行的条件。

图6 基于αβ坐标系下的a相电压仿真波形

4 结语

通过分析三相桥式并网逆变器的工作原理以及并网逆变器的控制策略[6]，建立了其数学模型，在αβ两相静止坐标系下采用QPR控制器的控制算法，对逆变器的主电路进行分析。从逆变器的控制方式、逆变器的控制模型方面对逆变器进行了分析，确定了并网逆变器控制策略。

[1] 吴春华，陈国呈，丁海洋，等．一种新型光伏并网逆变器控制策略[J]．中国电机工程学报，2007，27：103-107．

[2] 刘 飞，徐鹏威，陈国强,等．基于LCL滤波器的三相光伏并网控制系统研究[J]．太阳能学报，2008，29(08)：965-971．

[3] 彭 飞，张立伟，牛迎标，等.基于PR控制的三相光伏发电并网逆变器研究[J].科学技术与工程，2012，12(14)：1-2.

[4] 郑诗程，刘伟.光伏并网发电系统及其控制策略的研究与仿真[J].系统仿真学报，2009,21(19)：4-5.

[5]KroposkB,LasseteR,IsT,etal.Makingmicro-gridswork[J].IEEEPowerandEnergyMagazine, 2008,6(03): 40-53.

[6] 赵 杰.光伏发电并网系统的相关技术研究[D].天津：天津大学,2012:12-57

[7]ChenC，WangY，LaiJ，etal．Designofparallelinvertersforsmoothmodetransfermicro-gridapplications[J]．IEEETrans.onPowerElectronics，2010，25(01)：6-15.

[责任编校： 张岩芳]

The Control Strategy of Three-Phase Photovoltaic Grid-connected Inverters Based on Quasi-PR Control

LIU Qianli，GONG Li, ZHANG Xiaohua

(SchoolofElectrical&ElectronicEngin. ,HubeiUniv.OfTech. ,Wuhan430068,China)

In the process of PV Grid, in order not to affect the quality of power grid from the coupling of photovoltaic power generation systems, this paper proposed a simpler three-phase grid inverter control strategy. The mathematical model of three-phase grid inverter was built in the two-phase stationary coordinates using MATLAB/SIMULINK. Then we adopted the outer ring for the power and the inner for the current loop, and chose quasi proportional resonant (PR) controller to realize the grid current control. We finally obtained the three-phase grid inverter control system. Through the simulation experiment, the feasibility of this method was proved.

Photovoltaic grid-connected; inverter; Quasi-PR controller; Simulink model

2014-08-14

刘倩丽(1989-)， 女， 湖北监利人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为电气工程

1003-4684(2015)01-0012-03

TM434，TM914

A