PWM型光伏并网逆变器的双闭环控制系统设计及仿真研究

刘建，冉玘泉

(西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031)

1 引言

随着工业进程的加快，能源消耗越来越大，常规能源供给的有限性和环保压力的增大，促使人类去开发和利用新能源，太阳能具有很多常规能源所不具有的优点，被认为是21世纪最重要的新能源，因而光伏发电被认是综合缓解能源问题和环境问题的一种重要技术途径［1－2］。逆变器作为光伏发电系统的核心，为了实现高效利用太阳能，对光伏并网发电系统中逆变器的控制方法进行研究具有实用价值。逆变器并网发电的主要控制问题是使逆变器输出与电网电压同频、同相的正弦波电流，并能跟随并网容量给定值，而且要求电流畸变满足相关要求，控制谐波对电网的不利影响。目前研究比较成熟的控制方法有滞环控制技术、三角波控制技术，无差拍控制技术等。滞环控制方法硬件电路十分简单，属于实时控制方式，电流响应很快，不需要载波，输出电压中不含有特定频率的谐波分量［3］。三角波控制方式输出含有与载波频率相同的高次谐波，且电流响应比瞬时值比较方式慢［4－5］。无差拍控制［6］可以在有限拍的时间内跟踪到给定的状态变量，具有非常快速的动态响应能力。双闭环控制通过双环实现了双极点配置，系统中两个状态变量都是闭环状态，这很大程度上增强了系统稳定性［7］。

2 并网光伏发电系统

光伏发电系统一般由以下几部分组成:光伏阵列、电子电力设备和并网装置，此外还有一些辅助设备［8］。光伏方阵由太阳能电池组件按照用户设计需求经串并联组成，其将光能转换为电能，它是光伏发电系统的核心部件，直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。由于光伏电池的输出电压，输出电流较低，因此在实际中，需要通过对多个小单位的光伏电池的串、并联交替组合，同时将光伏阵列模型接入升压电路中，以便得到期望的直流电压或者是电流。逆变器是将直流电变换为交流电的电力变化装置。控制器是整个光伏发电系统的核心控制部分。并网光伏发电系统在逆变之后将能量传送给公用电网。由于逆变器与电网并联，所以必须保持两组电源电压、相位、频率等电气特性的一致性，否则会造成两组电源相互间的充、放电，引起整个电源系统的内耗和不稳定。并网光伏系统的结构如下:

图1 并网光伏发电系统结构图

基于Boost变换器的10KW的光伏并网发电系统的电路拓扑如下所示:

图2 光伏并网发电系统拓扑图

3 电流内环电压外环的双闭环控制

全桥PWM并网逆变器是具有电流控制特性的电压型逆变器。通过对交流并网侧电感电流的控制来实现高品质的并网电流和单位功率因数控制，内环采用固定开关频率直接电流控制，并用典型Ⅰ型系统进行设计。同时，为了使电压型逆变器稳定运行，必须对直流电压进行闭环控制来稳定直流电压。

3.1 电流内环的控制设计

电流内环的控制框图［9］如图3所示。

图3 电流内环控制框图

框图中电网电压在电流控制结构中属于扰动量，会影响系统的动态跟踪性能，因此在内环系统中加入电网电压前馈控制以增强系统的抗扰性。由逆变器PWM增益特性，为了抵消电网电压，要满足

式中Kf为前馈系数，Tpwm为逆变器调制开关周期，Kpwm为逆变器增益。

如果忽略PWM逆变器对象的时间常数，则可得到前馈系数为:

考虑前馈，则电流内环的开环传递函数为:

为了保证电流环有很好的跟随性，按照典型Ⅰ型系统设计，其调节器为比例调节器Kip，加入比例调节器后电流内环开环传递函数为:

根据典型Ⅰ型系统的设计，系统阻尼为

内环通过典型Ⅰ系统的设计，在稳定的基础上具有快速的跟随性。

3.2 直流电压外环的控制设计

直流母线电压太低，不能满足电压型逆变器的交、直流变比关系，太高会损坏电容和开关管，因此要对电压外环进行控制，使直流侧电压稳定。

在功率因数为1的条件下，不考虑能量损耗，根据能量关系得

式中Uo、Io为逆变输出电压和电流的有效值，Udc、Idc为直流侧的电压和电路。

根据上式可得到

K1为交流侧电流与直流侧电流的比例系数。根据电流环的控制框图，可以得到电流环闭环传递函数

由于逆变系统中开关频率一般很大，Tpwm很小，上式中分母的第一项远远小于第二项，忽略S2项，简化得到电流内环的传递函数为

可得到电压外环的控制系统的框图如所示。

图4 电压外环控制框图

在稳态时，将光伏电池板看作是恒流源，有主电路拓扑的直流电容电流为

其中Id1在控制结构中相当于扰动量，在稳态条件下不影响调节器参数的选择，设电压外环中调节器的传递函数［11］为

式中Kdp为电压调节器的比例系数，τd为电压调节器的时间常数。根据电压外环系统的方框图，将电流内环等效为其闭环传递函数，可以得到电压外环的开环传递函数为

上式中C为直流侧电容

根据典型Ⅱ型系统的设计原则，假设Ⅱ型系统的开环传递函数为

那么就有

将H(s)与W(s)作比较，可得到

根据以上的算式可推导出电压调节器的参数为

把典型Ⅱ型系统跟随和抗扰等各项性能指标综合起来看，取h=5是一个合适的选择［12］。

4 基于Matlab/Simulink/仿真

4.1 电流内环的仿真

图5 电流内环仿真图

仿真波形如图6所示。

由仿真结果可见电流内环能够按照给定的参考值输出相应的波形，有较好的跟随性。

4.2 电压外环仿真结果

光伏阵列的输出电流随着光照强度的变化而变化，在仿真中用有波动的电流源代替光伏阵列部分，其仿真图如图7所示。

图6 并网电压与输入电网电流波形

图7 光伏并网逆变仿真结构图

仿真中电容初始值设定为500，为实现10kW功率并网，要求光伏输出的平均值为20A，因为在某一个时间段内，环境缓慢变化，所以光伏阵列的输出电流变化慢，幅度变化小，为模拟光照强度对光伏输出电流的影响，可控电流源的输入设定为一个正弦信号，一个基值为19，振幅为1.414，频率为1的正弦信号。电容可根据纹波电压以及并网功率确定。

电网电压、电网电流、比例积分环节、直流侧电压、光伏电流的输出波形如下:

定性分析如图8所示。

当实际电压大于参考电压时，误差信号为正，通过比例积分环节后，得到的值大，此时的参考电流幅值大，得到的并网电流大，根据能量守恒的原则，此时直流侧逆变电流也大，那么流过直流侧电容的电流相应减小，从而实际电压降低。

同理，当实际电压小于参考电压时，误差输出信号为负，通过比例积分环节后得到的值减小，即电流的参考值减小，得到的并网电流小，流过直流侧电容的电流增大，从而实际电压增大。

综上，电压外环能够使直流侧的电压稳定在参考值。

仿真结果表明，双闭环的控制方法能够实现并网电流与电网电压同频同相，电流内环中电流有较好的跟随性，且直流侧电压可以很好的稳定在500V。

图8 仿真输出结果图

5 结语

本文只是对两级式的单相光伏并网逆变器的控制策略作了理论研究和基本仿真的验证，如果将光伏并网逆变器应用到实际中，还需要对光伏阵列、光伏并网逆变器做更加深入的研究和探索，进一步对光伏并网逆变器进行完善和提高。逆变器控制方法的研究，对于风能、太阳能等新能源的普及意义重大，它可促进环境改善、缓解能源危机，产生巨大的社会价值。

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