两级式单相光伏并网系统及其仿真研究

吴静妹，纪　萍，胡徐胜

(河海大学 文天学院，安徽 马鞍山 243002)



两级式单相光伏并网系统及其仿真研究

吴静妹，纪萍，胡徐胜

(河海大学 文天学院，安徽 马鞍山 243002)

以两级式并网逆变系统为控制对象，分析了整体系统的组成，研究了该光伏并网逆变系统的整体控制策略。前级最大功率跟踪(MPPT)通过调节占空比扰动控制算法进行控制；后级采用双环控制和电压前馈瞬时控制方式。应用Simulink平台搭建仿真模型进行实验验证，结果表明，所选控制方式使系统具有较好的稳定性和快速性，实现了逆变输出电流含有较小的总谐波畸变率、并与电网电压同频同相。

光伏并网逆变系统；MPPT控制；双环控制；前馈；总谐波畸变率

太阳能作为新型可再生能源之一，以其无污染、无噪声、绿色、不枯竭等优点[1-3]越来越受到人们的关注，是人类社会发展的重要标志。光伏并网发电是太阳能利用的形式之一，发电过程是将光伏阵列产生的直流逆变为交流，其中并网逆变器是发电系统和电网连接的关键设备。它的控制目标是提高并网的发电效率以及降低成本，那么其控制方法的选择就具有非常重要的意义。在实际应用中，并网逆变器的控制方法有很多，传统的方法多采用PI电流环控制或电压控制，但是这种方法控制精度不高、响应较慢，同时都需要对正弦电流进行跟踪，控制效果不尽如人意[4-5]。为解决上述问题，以两级式单相逆变系统为控制对象，前级DC/DC实现最大功率控制，后级DC/AC实现逆变控制[6-7]。基于Simulink仿真平台，搭建最大功率跟踪(MPPT)模块、基于PI调节器的双环加电压前馈控制模块的仿真模型。对仿真结果进行分析，验证了所选控制算法的有效性以及两级式单相并网逆变系统的稳定性。

1　单相两级式并网逆变系统组成

两级式单相逆变系统的拓扑由前级DC/DC及后级DC/AC组成，如图1所示。前级主要实现MPPT控制，后级主要实现逆变控制，滤波器主要滤除DC/AC输出信号中的高次谐波。相比单级式并网逆变系统，其优点在于不需要隔离变压器、体积小，所以目前两级式拓扑应用非常广泛[8]。

图1两级式并网逆变系统拓扑结构

图1中主要参数名称如表1所示。

表1　参数名称

上述参数之间满足：

(1)

2　单相两级式并网发电系统总体控制方案

系统总体的控制框图如图2所示。前级DC/DC实现最大功率跟踪，采用P&O控制算法，后级实现逆变并网，采用正弦脉冲电流电压外环和电流内环跟踪及电压前馈控制方式。

图2单相并网发电系统总体控制框图

2.1MPPT控制算法

由于太阳能电池具有强烈的非线性，系统工作点不稳定，因此MPPT控制是必要的，以便在任何条件下不断获得最大功率输出。常用的MPPT控制方法有CVT、P&O、IC、人工智能算法等[9-11]。本文采用基于占空比(D)直接扰动控制算法来实现MPPT。

基于占空比D直接扰动控制算法是对光伏电池输入电压进行周期性的扰动，然后比较扰动前后的输出功率，根据其大小的比较来决定下周期占空比是增大还是减小，具体操作程序流程如图3所示。如此不停地观察调节，使PV电池工作在最大功率附近。流程图中变量Ppv(n)、Ppv(n-1)表示组件当前时刻和上一时刻的功率，Upv(n)、Upv(n-1)表示组件当前时刻和上一时刻电压，D为占空比。

图3　MPPT控制流程图

2.2后级逆变器控制策略

并网逆变控制的目标是控制逆变电路输出的交流电流为稳定的、含THD较低的、同频同相的正弦波[12-13]。本文采用电压外环电流内环及电压前馈瞬时控制方式，此控制具有输出波形较好、谐波含量较少、控制简单、动态响应较快等优点。其中正弦脉宽调制(SPWM)电流内环电网电压前馈控制框图如图4所示。

图4SPWM电流内环加电压前馈控制框图

由图4可得后级控制的前向开环传递函数是

G(s)=G1(s)G2(s)G3(s)

(2)

闭环传递函数是

(3)

扰动传递函数是

(4)

即扰动误差

(5)

当G4(s)=-1/G2(s)时，扰动误差为零。由上式推导知，当前馈补偿条件合适时，电网电压对系统的扰动可以完全消除。

3　仿真分析

(a)并网电流输出 (b)谐波分析

图5基于双环前馈控制并网电流输出及谐波分析

改变L的值，并网电流输出波形及谐波分析如图6所示。

由于udc为DC-link输出的电压，它受到光照强度S和外界温度T影响，所以就S、T变化时对udc影响做如下仿真分析。

(1)当S、L不变，T由25 ℃变化到50 ℃时， udc输出、功率因数输出如图7所示。

(a)udc输出 (b)功率因数

图7T发生变化时udc及功率因数输出

(2)当T、L不变，S由800W/m2变化到1 000W/m2时，DC-link输出电压(udc)、功率因数输出如图8所示。

(a)udc输出 (b)功率因数

图8S发生变化时udc及功率因数输出

从图5～8可以看出，双环加前馈控制输出的并网电流谐波总畸变率很小，当电感发生变化时其变化也很小，并且当外界输入光照强度或温度发生变化时，Boost输出电压能够很快达到参考电压400 V左右，上下幅度变化不大(0～1 V)。同时，并网电流也可以很快跟踪上并网电压，功率因数接近1，可以很好地达到并网要求。

4　结　　论

本文以单相两级式并网逆变器系统为控制对象，对MPPT和逆变进行独立控制，由仿真波形可以看出，对MPPT采用D改变的电压扰动算法控制具有一定的准确性和有效性。后级逆变控制采用电压外环电流内环加电压前馈控制，通过仿真验证了其可靠性。当光照强度与外界温度发生变化时，对其DC-link电压变化进行仿真分析，上下幅度变化很小，进一步证明了系统的稳定性及可靠性。

[1] 林勇. 太阳能光伏并网发电系统[J].上海电力，2005(1):49-50.

[2] 崔容强. 太阳能光伏发电—中国低碳经济的希望[J].自然杂志, 2010,32(3):149-155.

[3]VasconcelosAraújoSamuel,ZachariasPeter,MallwitzRegine.Highlyefficientsingle-phasetransformerlessinvertersforgrid-connectedphotovoltaicsystems[J].IEEETransonIndustrialElectronics, 2010, 57(9): 3118-3128.

[4]WangFei,YangZhaohua,MaoWu.Studyofphotovoltaicsingle-phasegrid-connectedsystem[C].ControlandDecisionConference, 2010: 2826-2829.

[5] 穆桂霞, 郝瑞祥. 新型单相光伏并网逆变器的研制[J].电力电子技术,2011, 45(9): 69-71.

[6]ZhangHui,ShanLin,RenJing,etal.StudyonPhotovoltaicGrid-connectedInverterControlSystem[C].IEEE, 2009: 210-212.

[7] 黄庆丰，杨红培，翟登辉. 基于Simulink的两级式单相光伏逆变器的系统仿真[J]. 电力系统保护与控制，2014,42(19):58-61.

[8] 黄成玉，张全柱，邓永红，等. 单相光伏两级并网系统的MATLAB仿真研究[J]. 电源技术，2011,35(5):553-555.

[9]WangNianchun,SunZuo，KazutoYukita,etal.ResearchofPVmodelandMPPTmethodsinmatlab[C].PowerEnergyEngineeringConference,2010:1-4.

[10]LiDing,GaoFeng,ChiangPoh,etal.Transientmaximumpowerpointtrackingforsingle-stagegrid-tiedinverter[C].EnergyConversioncongress&Exposition.IEEE,2009: 313-318.

[11] 王久和， 慕小斌， 张百乐，等.光伏并网逆变器最大功率传输控制研究[J]. 电 工 技 术 学 报，2014, 29(6)：49-54.

[12] 姜世公, 王 卫, 王盼宝, 等. 基于功率前馈的单相光伏并网控制策略[J]. 电力自动化设备, 2010, 30(6): 16-19.

[13] 王小亮，王勉华，景凯凯，等. 基于DSP的两级式光伏并网逆变器的设计[J].电气传动，2013,43(3)：22-24.

System Simulation of Double-Stage Single-Phase Photovoltaic Inverter

WU Jing-mei1, JI Ping2, HU Xu-sheng2

(Wentian College, Hohai University, Ma′anshan,Anhui 243002, China)

Taking the double-stage single-phase photovoltaic grid inverter system as a core of this paper, we analyzed the overall control composition and studied the whole of the PV grid inverter system control strategy. MPPT algorithm based on the observation of the disturbance voltage and the back level voltage-current double loop control strategy based on feed forward are adopted, whose properties are studied and simulated. Finally, the theoretical analysis and experimental are verified based on the Simulink platform. The results show that the control method makes system have better stability and rapidity. At the same time, we realize the inverter output current containing lower total harmonic distortion rate (THD), which has the same frequency and phase as the grid.

photovoltaic grid-connected inverter system; maximum power point tracking control; dual-loop control; feed-forward; total harmonic distortion rate

2016-03-10

河海大学文天学院校级科研基金(WT15006)。

吴静妹，女，安徽马鞍山人，硕士，河海大学文天学院教师，主要从事并网逆变器及谐波分析研究。E-mail: szwujingmei@126.com

时间：2016-8-17 11:31

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160817.1131.017.html

TM464

A

1007-4260(2016)03-0057-05

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.03.017