并网逆变器新型控制策略的研究

李洋, 李坤

(曲阜师范大学工学院,山东 日照 276826)

并网逆变器新型控制策略的研究

李洋, 李坤

(曲阜师范大学工学院,山东 日照 276826)

随着电力电子技术的进步，将光伏电池发出的直流电经过逆变并入电网的技术逐渐成熟。在光伏发电系统中，逆变器是其中的关键部分，而并网技术则成为把太阳能转化为电能进行合理利用的核心技术。从逆变器的并网控制方法入手，阐述了多种并网技术。并对其中的PI控制进行了仿真研究，为了实现电流的无静差控制，且获得更精确的控制效果，选用一种变参数比例谐振控制策略，并进行了MATLAB仿真，验证了设计的可行性。

并网逆变器；PI控制；无静差控制；变参数比例谐振控制；MATLAB

0 引 言

逆变器并网发电是太阳能发电的重要研究内容之一。当前，国内外，电压源型逆变器使用电流控制的方法在光伏并网逆变器中得到广泛应用，其中控制方向是：逆变器输出的电流与电网同频、同相，同时要靠有效的控制方式来控制逆变器的输出来满足网侧电能质量的要求。在并网过程中，为确保光伏逆变器安全工作，整个光伏并网发电系统必须具备一定的孤岛检测与控制功能[1]。

1 光伏发电系统对并网逆变器的要求及并网标准

1)并网逆变器的要求[2]

(1)具有很高的效能因光伏电池成本很高，为充分提高光伏电池的效能，提升并网逆变器的效能非常必要。不然，必须增加光伏电池的数量，这将导致发电成本的增加。因此，在10 kVA以下，系统逆变器效能不得低于90%；在10 kVA以上，系统逆变器效能不低于95%。

(2)具备可靠性因太阳能发电主要用于偏远地区，基本没人看守，因此逆变器电路要有合适的构架且逆变器本身要有保护功能。

(3)直流输入电压适应限度较大。

(4)不能对公用电力系统产生影响，且逆变输出要为正弦电流。

(5)家用光伏发电系统要求电磁干扰较小。

2)光伏并网逆变器相关国际标准

IEEE(美国电气和电子工程师工程学会)在2003年颁布了分布式发电系统的专业标准IEEE Std 1547-2003，对分布式发电在并网接入点电压、频率、电压闪变、谐波和功率因数及防孤岛措施等都有严格规定。现对以下重要方面进行介绍。

(1)公共连接点电压：并网时的端电压范围是88%～110%网侧额定电压，由此可得在我国光伏逆变器并网的连接点电压范围是193 V～242 V。超出此范围光伏逆变器就不可以并网。

(2)电网频率：并网逆变器在并入电网时网侧频率波动范围为额定值的98.8%～100.8%，因此针对我国50 Hz的工频电网来说，逆变器并网的频率范围是49.4 Hz～50.4 Hz。此范围之外不允许并网。

(3)电压闪变：连接点电压在电网电压的±5%范围内波动时可实行并网。

(4)功率因数：在输出功率超过10%额定功率的情况下，并网系统的功率因数应高于85%。

2 逆变器的类型、特点和基本工作原理分析

逆变器的分类方式有多种[3]。可按输出相数、换流方式、直流电源特性等方面分类。若按换流方法来说则分为强迫型换流、负载型换流、电网型换流和器件型换流四种方式。而按电源性质可分为电压电流两种类型。通常来说并网逆变器采用电压型。

现以单相桥式电压型逆变器为例进行分析，如图1所示。

图1 单相桥式电压型逆变电路

图2 单相桥式逆变器输出的 电流与电压波形

如图1单相桥式逆变电路共有上下四个桥臂，其中开关器件为全控型的电力电子器件(IGBT)。T1，T4为一工作组，T2，T3为另一工作组。上下两个成对的桥臂在同一时刻通断。逆变器的输出波形如图2所示。

从图中可以看出，输出电压与负载特性无关，是矩形波，然而输出电流的波形接近为正弦波，与负载特性相关。

3 并网逆变器控制方式的分析与选择

逆变器也采用PWM控制[4]，其原理图如图3所示。

图3 单相桥式PWM逆变电路

图4 滞环比较原理示意图

由于实际应用中采用的是电压型逆变器进行电流控制方式，下面就几种电流控制方式进行分析：

(1)滞环比较方式电流跟踪在跟踪型电路中使用广泛。如图4所示。

其原理是：有滞环特征比较器的输入是参考电流I′和实际输出电流Io的差值I′-Io，再经由滞环比较器(环宽为2ΔI)，最后利用其输出值来控制IGBT的通断，此为闭环控制方法。其中Io在I′+ΔI和I′-ΔI的范围内进行变化，并对指令电流I′进行锯齿状形式跟随。另外，跟随的效果与环宽有关，开通关断的频率在环带宽度过宽时偏低且误差较大；与之相反，开关频率在环宽过窄时较高且开关损耗变大，其输出波形的示意图如图5所示。

图5 滞环比较输出示意图

(2)三角波比较方法如图6所示为此方法的逆变电路拓扑图。

图6 三角波比较方式电流跟踪型逆变电路

经由闭环控制，将参考电流Ir和系统实际输出电流If做差后经调节器(放大器)调节后再与三角波相比较进而生成PWM波形。其中调节器将具有比例特性或比例积分特性。

除了上述两种方法外还有定时比较方式[5]。只需设置一个恒定时钟，对参考信号和被控量以固定的采样周期进行采样，逆变器IGBT的通断要依据两者差值的极性来控制，使被控制量跟踪指令信号。

(3)SPWM控制方法此种控制方法不再详细介绍，只给出工作原理示意图和使用方法[6]。如图7所示。

图7 SPWM控制方式原理图

4 单相并网逆变电路的PI控制与变参数比例谐振调节

4.1 单相并网逆变电路的PI控制

MATLAB仿真设计依据的是上述SPWM控制方式，其中交流电网因无法直接测量其电压和频率，所以用交流电源代替，Boost电路的输出电压用直流源代替，指令电流信号用正弦波信号模块(频率为50 Hz)代替。其MATLAB原理图如图8所示。

图8 并网逆变器MATLAB仿真原理图

图中整流桥所需要的四路SPWM波形是由PWM Generator模块(离散型)产生，其频率设置成2 kHz。PID模块参数设置成P=2，I=1 000，D=0，L=4 mH,R=0.01 Ω。交流电流源峰值设置为150 V，直流电压源为400 V，逆变桥选用IGBT。

PI控制下逆变器输出的电流、网压波形图如图9所示。

图9 并网逆变器输出波形

从图中可以看出并网逆变器输出电流很好的实现了对电网电压的跟踪，两者的相位基本保持同步，从而并网逆变器的功率因数接近1。逆变器的输出电流在允许范围之内存在小幅波动，逆变器输出方波电压与正弦电压存在面积等效原理。

4.2 单相并网逆变电路的变参数比例谐振调节

由图9可以看出，使用PI调节的电路输出电流会出现许多毛刺。虽然采用PI控制方法简单易行，但是电流环不能实现电流的无静差控制，且没有对网侧电流进行调节，会导致网侧电流出现毛刺，如图9可知。为了得到无静差控制效果一般采用比例谐振控制[7]，但本文为了使控制更精确，因此，采用一种变参数比例谐振的单相并网逆变器的控制方法。如图10所示为变参数比例谐振并网逆变器MATLAB仿真原理图。

图10 变参数比例谐振并网逆变器仿真原理图

如图11所示为变参数比例谐振控制框图。其中PI调节器用以调节直流电压外环稳定直流侧。Im*为网侧电流环的电流幅值参考值，通过锁相得到电网电压相位角，并与Im*相乘得到瞬时网侧电流参考信号IL2*，为了实现网侧电流无静差控制，此处采用变参数比例谐振控制技术，在此基础上采用网压前馈控制来抑制电网侧电压的波动，最后经过电流环与电网侧电压前馈两个信号比较生成SPWM信号来驱动开关管，实现逆变器并网。

图11 变参数比例谐振控制框图

(1)当偏差与其变化率较大时，取传递函数中的Kp取较大的值，增加动态响应速度，取较小的Ki值。

(2)当偏差与其变化率的值为中等时，Kp取中等大小的值，Ki取中等大小值。

(3)当偏差较小，其变化率较小时，Kp取中等大小的值，Ki取较大值。

其中图12为变参数比例谐振控制环节。

根据分析，经仿真可得由变参数比例谐振控制后的并网波形，如图13，从图中可以发现，并网侧电流比之前用的PI控制波形要平滑的多，控制效果更好。

图12 设计的变参数PR控制环节

5 结束语

本次设计以并网逆变器为主，主要讨论了并网逆变器的基本工作原理与构造，针对并网逆变器的控制方法进行分析，提出了多种控制方案，并对PI控制与提出的变参数PR控制进行了方针对比，发现了变参数PR控制的优点。本次设计主要通过仿真验证了方法的实用性和先进性。

图13 变参数比例谐振控制后的并网波形

[1] 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.

[2] 杨军.光伏并网逆变器的研制[D].北京：北京交通大学，2007.

[3] 王成山,李琰,彭克.分布式电源并网逆变器典型控制方法综述[J].电力系统及其自动化学报,2012,24(2):12-20.

[4] 李洋.光伏微型逆变器的研究[J].电子技术，2014,52(10):12-15.

[5] 柯程虎,张辉.小功率单相光伏并网逆变器的研究[J].仪器仪表学报.2014,35(12):2866-2873.

[6] 李本元.太阳能光伏发电单相并网逆变器研究[D].山东：山东科技大学，2010.

[7] 马琳,金新民,唐芬,等.小功率单相并网逆变器并网电流的比例谐振控制[J].北京交通大学学报,2010,34(2):128-132.

A Study on a Novel Control Strategy of Grid-connected Inverters

Li Yang, Li Kun

(College of Engineering, Qufu Normal University，Rizhao Shandong 276826,China)

With the improvement of power electronic technology, the technology for grid-connecting DC power generated by PV cells to the power grid is becoming mature gradually. The inverter is the key part of the PV generation system, while grid connection technology is the core technology to transform solar energy into electricity for rational utilization. Starting from grid connection method of the inverter, this paper explains a number of grid connection technologies, and completes a simulation of PI control. A variable parameter PR control strategy is adopted to realize astatic control of current and achieve precise control effect. Furthermore, MATLAB simulation is made to verify the feasibility of the design.

grid-connected inverter; PI control; astatic control; variable parameter PR control;MATLAB

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.017

TM615

A

1000-3886(2016)05-0050-04

李洋(1991-)，男，山东日照人，曲阜师范大学工学院，研究生，主要从事新能源发电技术研究。

定稿日期: 2016-02-24