光伏并网控制系统设计

张雪煜，常大泳，郭雪丽，尚光伟，顾瑛

（1.国网南阳供电公司，河南南阳473005；2.中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙410083）

光伏并网控制系统设计

张雪煜1,2，常大泳1，郭雪丽1，尚光伟1，顾瑛1

（1.国网南阳供电公司，河南南阳473005；2.中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙410083）

以单相光伏并网逆变器为研究对象，设计了一种基于准比例谐振控制的并网电流内环控制器和基于自抗扰控制的直流电压外环控制器的双闭环控制系统。基于Matlab/Simulink仿真平台和光伏并网系统的实验装置，对系统进行了仿真和实验研究，实验结果验证了该控制系统的合理性和正确性。

光伏逆变器；并网控制；准比例谐振控制；自抗扰控制

在追求低碳生活的今天，太阳能作为一种清洁的分布式可再生能源被广泛利用，光伏并网技术的研究已经成为电力电子行业的研究热点。在并网型光伏发电系统中，并网控制技术是整个系统的关键，系统的并网控制效果直接关系到并网电能的质量和整个光伏系统的运行效率；而能否成功进行并网，在很大程度上取决于控制系统的设计，这就对系统使用的并网控制策略的合理性提出了较高的要求。

本文研究的并网逆变器主电路结构如图1所示，并网逆变器为单相全桥逆变电路，并网滤波器为L滤波器。该并网逆变器的输入为电压源输入，控制模式为电流控制，所以，并网控制系统两个关键控制目标为直流电压控制和逆变器输出电流控制。目前，直流电压控制的主要控制方法为经典PID控制，逆变器输出电流控制器也是PID控制器。PID控制器广泛应用于控制工程实践中，但通过一系列工程实践发现，该控制器的结构存在着固有的缺陷：PID控制器的输入误差的提取存在不合理性，反馈作用的效果较差，控制对象具有局限性，积分环节容易引起系统振荡和控制量饱和等问题。针对上述缺点，本文提出了一种改进型的光伏并网控制系统。该控制系统中，由于光伏并网系统受外界光照和温度等外部扰动较大，其拓扑电路中的滤波器、稳压电感等电子元件的存在使得系统本身也具有不确定性，所以采用自抗扰控制器作为并网控制系统的外环来控制逆变器直流侧电压；由于并网电流为交流参考信号，常规PI控制难以消除其稳态误差，故采用比例-谐振控制器(proportion-resonant controller，PR Controller)作为该控制系统的并网电流内环控制器，该控制器能够跟踪正弦参考电流，实现零稳态误差。

图1 并网逆变器主电路结构

1 电压外环控制器的设计

本文采用的电压控制器为自抗扰控制器，控制器结构如图2所示。由图2可知，电压环控制对象为一阶环节，则该自抗扰控制器为一阶控制器，实现简单，结构稳定。

自抗扰控制器由跟踪微分器(TD)、状态观测器(ESO)和非线性反馈控制率(NLSEF)3个部分构成。跟踪微分器主要作用是跟踪输入信号并安排过渡过程，一方面要实现快速跟踪小孤傲，另一方面要使跟踪信号一次达到稳态值而没有超调，避免对控制对象的冲击。结合光伏并网逆变器的特点，本文选取的跟踪微分器如式(1)：

扩张状态观测器是自抗扰控制的关键技术。该控制器为一阶系统，则扩张状态观测器为二阶观测器，两个输出状态变量分别是控制目标和系统扰动和(内部不确定性和外部扰动总和)。为系统的控制量，同时也是内环电流的参考输入幅值都是系统可以测量的变量，作为ESO的输入。确定ESO的形式如式(2)：

2 电流内环控制器的设计

传统光伏并网系统电流内环控制采用PI控制器，其算法简单易实现，但不能做到无静差跟踪[1]。幅值的稳态误差导致了系统效率的下降，相位的误差使得并网逆变器的功率因数减小。另外，PI控制抵抗电网电压扰动的能力有限，因此对前馈补偿有较高的依赖性。考虑到PI控制存在的缺点，本文的电流内环控制考虑选用准比例-谐振控制技术。比例-谐振控制器能够实现零稳态误差，且对正弦参考电流跟踪性强。准比例谐振控制器是基于比例-谐振控制器的一种改进控制器，可以克服PR控制器对模拟、数字系统的精度要求高、难以实现的缺点，增大PR控制器在非基波频率处的增益，当电网频率产生偏移时，增加系统抑制扰动的能力。

该控制器既可以保持PR控制器的高增益，还可以减小电网频率偏移对逆变器输出电流的影响[2]。在准PR控制器的控制下，并网电流控制系统的结构框图如图3所示。

图3 基于准PR控制的电流内环控制系统结构框图

由图3可知，该系统的开环传递函数为：

则系统的闭环传递函数为：

3 控制系统

在整个光伏并网发电系统中，并网逆变器连接着光伏电池和电网，是系统的主要设备，其控制效果会对直流侧母线电压的稳定以及并网电流的质量产生直接影响。要实现光伏系统的并网控制，就要综合考虑光伏电池特性与并网的相关技术要求，针对并网逆变器选择适合的控制方法。

忽略系统中功率变换器带来的损耗后，如果逆变器的输出功率和光伏电池的输出功率不能保持一致的话，二者之间的功率差值一定会表现在中间直流环节的母线电压上。当光伏电池的输出功率大于逆变器的输出功率时，值将增加，反之值减少[4]。可以说，值的变化能够反映系统的输入与输出功率是否处于平衡状态，因此要将值控制在限定范围之内。另外，可以通过改变逆变器的输出电流幅值，及时调整其输出功率与光伏电池的输出功率保持一致，从而既保证了直流母线电压的稳定，又使得光伏电池具有最大功率输出[4]。

因此，本文中的单相光伏发电系统并网控制部分采用双闭环控制，并网电流内环实现逆变控制，直流电压外环完成电压的稳定工作。单相光伏发电系统双闭环并网控制框图如图4所示。

图4 单相光伏发电系统双闭环并网控制框图

本文所设计的单相单级光伏并网系统控制框图如图4所示。并网控制系统采用双闭环控制，并网电流内环实现逆变控制，直流电压外环完成电压的稳定工作。电压外环控制器采用文中叙述的自抗扰控制器，该控制器稳定直流侧电压，实现逆变器输入、输出能量的平衡。电流内环采用文中叙述的准比例谐振控制器，控制并网电流的质量和并网功率大小。该控制器的参考输入由电压外环输出的电流参考幅值与锁相环(PLL)检测得到的电网电压相位sinθ相乘得到，这样能保证并网电流的单位功率因数。为了抑制电网电压扰动，加入一个电网电压前馈控制，电流环控制器的输出与电网电压的前馈信号叠加后，经过SPWM调制后的输出驱动开关管，从而实现单相逆变器的并网控制。

4 仿真和实验

4.1 电流控制器仿真

基于Matlab/Simulink仿真平台和光伏并网系统的实验装置，对系统进行了仿真和实验研究，将电网电压频率从50 Hz偏移到48 Hz，仿真结果见图5和图6。其中，准PR控制参数取0.3，取80，取2.5 rad/s。

图5 电网频率偏移时准PR控制下的并网电流与电网电压之间的关系

图6 电网频率偏移时准PR控制下的误差电流波形

由图5看到，并网电流在0.35 s之后基本趋于稳定，在电网电压频率产生偏移的情况下，稳态时并网电流与电网电压之间基本不存在相位误差。图6是准PR控制下给定参考电流与得到的并网电流之间的误差电流波形，可以看到误差电流基本为零。证明了在电网电压频率产生偏移的情况下，采用准PR控制时，并网电流很好地跟踪到了给定参考电流，验证了准PR控制具有良好的抵抗电网电压扰动的能力。

4.2 自抗扰电压控制仿真

直流母线电压采用自抗扰控制的仿真结果见图7和图8。图中，控制参数取值为：=1.25，α=1/3，σ=0.1，β1=1 000，β2=500，b=1，k1=15。

由图7可以看出，当直流母线电压采用自抗扰控制时，= 0 s时刻控制开始，电压超调很小，在=0.1 s之后就趋于稳定；在=0.5 s时光强突变，直流电压产生较小超调；在=0.62 s之后就稳定运行在360 V左右，稳态时的纹波较小。对应图8中的并网电流在=0 s、=0.5 s时刻之后产生的超调也较小，电流控制系统经过较短的调整时间就能稳定并网运行。因此，采用自抗扰控制时，克服了在外界干扰下PI控制超调大、调整时间长的缺点，使系统的抗外界干扰能力大大增强，保证了系统的安全运行。

4.3 并网控制实验

图9是准PR控制下的并网电流波形，由图9可知，并网电流很好地跟踪了电网电压，相位误差几乎为零，且并网电流所含的谐波较少。实验波形验证了准PR控制器的合理性与优越性。

图7 自抗扰控制下光强突变时的直流母线电压变化

图8 自抗扰控制下光强突变时的并网电流变化

图9电流环准PR控制下并网电流稳态波形

图10 是直流母线电压采用自抗扰控制时的稳态波形，从图10中可以看到直流母线电压稳态时电压纹波较小，与仿真结果基本一致。

图10 电压环自抗扰控制下直流母线电压稳态波形

实验过程中，光强突然增强时，自抗扰控制下的并网电流变化过程如图11所示。从图11中可以看到，直流母线电压采用自抗扰控制时，并网电流经过0.08 s就逐渐趋于稳定，实验结果与仿真结果基本一致。实验证明采用自抗扰控制时，电流控制系统经过较短的调整时间就能稳定并网运行，从而增强了系统的抗扰能力。

图11 电压环自抗扰控制下并网电流的波形变化

5 结论

本文对单相光伏并网发电系统的控制效果进行了仿真和实验验证，证明了所设计的控制系统的有效性与合理性。在硬件平台上得出的实验波形与仿真结果基本一致，验证了控制方法的可行性。

[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2001：170-174.

[2]李永坚，黄绍平.带LC滤波的三相逆变器的比例谐振控制[J].电力电子技术，2011(6)：76-78.

[3]HASANZADEH A，ONAR O C，MOKHTARI H，et al.A proportional-resonant controller-based wireless control strategy with a reduced number of sensors for parallel-operated UPSs[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2010，25(1)：468-478.

[4]叶斌.电力电子应用技术[M].北京：清华大学出版社，2006：12.

《燃料电池基础》

燃料电池（MFC）是21世纪最有希望的新一代绿色能源动力系统，有助于解决能源危机和环境污染等问题。本书是一本浅显易懂的教材和专业入门书籍，涵盖了关于燃料电池的基础科学与工程学。本书侧重于基本原理，简单明了地描述了燃料电池是如何工作的、为什么它可以产生如此高效的潜能，以及如何最佳地利用其独特的优势等。

Control system design for PV grid system

ZHANG Xue-yu1,2,CHANG Da-yong1,GUO Xue-li1,SHANG Guang-wei1,GU Ying1

Single-phase photovoltaic inverter was the study object.A grid dual-loop control system based on the quasi-resonant control ratio and net current inner loop controller and ADRC controlled DC voltage loop controller was designed.Finally,based on Matlab/Simulink simulation platform and photovoltaic systems experimental device,the system simulation and experimental studies were taken,and the reasonable and correct of the control system were verified by the simulation and experimental results.

PV invert;control for grid system;proportion-resonant controller;ADR

TM 464

A

1002-087 X(2015)03-0571-03

2014-08-17

张雪煜(1994—)，女，河南省人，学士，主要研究方向为新能源发电。