基于光储直流微网逆变器的研究

陈景文， 张 蓉， 张 东， 周 鑫, 孟彦京

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

基于光储直流微网逆变器的研究

陈景文， 张 蓉， 张 东， 周 鑫, 孟彦京

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

随着微电网的应用越来越广泛，其主体设备并网变流器的研究已成为核心关注点.针对微网的特点，本文设计了一种基于三点比较跟踪法和SVPWM技术的三相微网逆变器.分析了逆变器工作原理和结构，并就微网逆变器MPPT算法和SVPWM的实现进行详细设计.在此基础上，建立了基于SVPWM的微电网逆变器模型，仿真并搭建实验平台验证所采用的MPPT和SVPWM方法的有效性.仿真和实验结果表明，相比传统的逆变器控制方法，本文的方法能够更好地实现微网电能的传输效果.

微电网； MPPT； SVPWM； 逆变器

0 引言

微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、变流器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电系统[1].在微电网的结构中，以光伏发电为分布式能源辅以储能的直流微电网以其受地域限制较小和结构简单的优势得到广泛的使用[2，3].在微电网工作过程中，决定输出电能质量好坏的核心设备是逆变器[4].并网逆变器作为微电网与电网之间的能量变换接口装置，系统的控制目标在微网侧实现光伏发电的最大功率点跟踪控制(MPPT)，在并网侧使逆变器的输出电压、电流与电网的电压、电流达到幅值、相位、频率相同，实现可靠并网的控制目的.

由于其重要性，近年来众多科研机构和企业都对逆变器进行了研究，目前主流的控制方法以SPWM为主，系统能够满足工程一般要求，但电能转换效率和控制精度一般，基于此种情况，本文提出一种在三点比较跟踪法指导下基于SVPWM的三相微网并网逆变器的控制策略，将其应用于直流微网系统，通过MPPT算法控制逆变器跟踪微网中分布式能源的输出状态，利用升压斩波电路对直流电进行升压后再经过SVPWM方法控制逆变器并网输出，实现电能并网的目的.在此设计思路的基础上，搭建数学模型和实验平台，仿真并实验验证此方法的有效性.

1 微网系统结构

本文研究的光储直流微网结构如图 1 所示.其系统主要包含：电网、分布式电源(光伏+储能)、直流侧带有DC-DC升压电路的逆变器、滤波电路及控制器等.微网并网逆变系统的目的是将分布式能源所发的直流电转化为交流电的形式注入电网，达到的结果是实现单位功率因数向电网输送有功电能.

图1中光伏发电与储能对系统提供直流电；采用最大功率点跟踪以及SVPWM对逆变器进行控制，将所提供的直流电逆变为交流电，其中的DC-DC升压斩波(boost)电路实现输入直流电的升压变换可适应逆变器直流侧低电压输入的情况；经过LC滤波后进行并网或给负载供电.

图1 光储直流微网结构框图

2 逆变器系统结构和控制实现

直流微网并网逆变器结构图如图2所示.将实际系统中的光伏阵列转换的电能供给逆变电路，电路的具体工作过程：分布式能源发的直流电，通过稳压电容进行稳压后，将测量到的直流侧的电压(u)与电流(i)信号送给MPPT控制器，运算后驱动升压斩波电路(DC-DC)的IGBT管，进行升压变换，逆变侧根据检测到的电网电压、相位和幅值等信号结合SVPWM控制算法生成逆变桥上6个IGBT管的驱动信号，驱动逆变桥进行DC-AC变化，经过滤波后，将同频同相的交流电进行并网.

图2 直流微网逆变器结构图

2.1 最大功率跟踪(MPPT)算法实现

MPPT的目的是指导电力电子电路的工作状态使其达到最大可能利用分布式能源能量的目的，其主要应用于以光伏为主体的微网逆变器控制中.其实施核心是寻找合适的MPPT控制算法，能在快速变化的外界环境条件下有效地跟踪最大功率点，使逆变器时刻工作在最大功率点上.实现最大功率点跟踪有很多种方法[5]，结合经验和实际应用效果，本文提出的是基于扰动法下的三点比较跟踪法.

三点比较跟踪法是当日照强度快速变化时而不快速移动工作点，以减小扰动损失.任意取a、b、c三点，取当前工作点a为出发点，根据上一步判断给出的扰动方向扰动到b点，之后反方向两个扰动步长扰动至c点，分别测量这三点的功率，当Pagt;Pc及Pb≥Pa时，记为“+”，反之记为“-”.

三点之间功率的比较判断，有以下判断规则：

(1)如果两次扰动的功率比较结果均为“+”则电压值保持原方向扰动.

(2)如果两次扰动的功率比较结果均为“-”则电压值反方向扰动.

(3)如果两次扰动的功率比较结果有“+”有“-”，可能已经达到最大功率点或者外部辐射照度变化很快，则电压值保持不变.

图3为实现此方法的流程图.三点比较跟踪法是基于扰动观测法的基础上提出来的.当t=0时检测a点的电压与电流；当t=t+1时检测b点的电压与电流；当t=t-1时检测c点的电压与电流；分别计算这三点的功率，并进行比较，找出最大功率点，从而利用输出最大功率点电压对开关管进行控制.

图3 三点比较跟踪法实现流程图

2.2 SVPWM控制实现

目前SVPWM(电压空间矢量脉宽调制)已经成为了和SPWM并行的一种逆变器的调制技术.SVPWM是一种基于空间旋转矢量的等效控制，思想是利用矢量空间中有限的静止矢量去合成和跟踪调制波的空间旋转矢量，使合成的空间矢量含有调制波的信息[6].与传统的SPWM相比，SVPWM能够减少谐波，改善波形质量，提高直流电压利用率，减少开关次数，降低功率管功耗，易于数字化实现，更具有一致性和整体性，是一种优化的PWM技术[7].因此SVPWM技术不仅在电力电子逆变、整流变换以及交流传动领域有着广泛的应用，而且在电力系统功率因数的调节以及各种利用清洁能源发电的分布式系统中都有很好的应用前景[8].本文对逆变器采用SVPWM控制.

假设相电压为三相平衡正弦电压，如式(1)所示：

(1)

电压空间矢量为式(2)：

Vα+JVβ

(2)

三相逆变桥结构如图2所示.其输出电压共有八个状态，SA、SB、SC分别表示A、B、C三相的开关状态，“1”表示上桥臂导通，“0”表示下桥臂导通.当A相上桥臂导通，B、C相下桥臂导通，此时工作状态记作(SA,SB,SC)=(1，0，0)，三相电压(UA,UB,UC)=(Ud，0，0).

由式(1)与式(2)可得此时电压空间矢量幅值Us=2/3Ud，空间位置为ej0.以此类推可得到其他空间矢量以及空间位置.其中V0、V7的电压为零，因此也被称为零矢量，V1～V6为六个有效的工作矢量.逆变桥有八个基本的电压矢量，由于没有办法来形成连续的电压空间矢量.所以为了达到预期的效果，采用相邻的两个有效工作矢量来合成期望的输出矢量.

由基本电压合成矢量的方式有很多种，常用的是7段式，它是在开关周期的首尾取零矢量V0以及中间取零矢量V7，将两个有效基本矢量V1、V2插在零矢量间.SVPWM输出电压矢量7段式组合如表1所示.

表1 SVPWM输出电压矢量7段式组合

本文采用软件编程得出空间矢量脉宽调制波.采用编程的方法具有方便简洁、快速实现等优点.建立的模型如图4所示，用来对矢量的合成以及扇区的选择.建立模型时首先要进行的解耦，之后经过程序进行矢量合成以及扇区选择，最后进行与三角波的比较，输出脉宽调制波形.

图4 SVPWM的模型

3 搭建模型及仿真

本次所仿真的微电网中分布式能源主要是光伏能源，辅助以储能，构成光储并网型微网系统.利用Matlab/Simulink搭建的模型.

3.1 直流微网系统的模型

图5是直流微网系统的模型.通过测量光储直流源的电流与电压反馈至MPPT，达到跟踪的效果，MPPT控制器发出指令驱动升压斩波电路中的IGBT，达到升压的效果，之后采集电网系统的电流，反馈给SVPWM控制器，运算后驱动逆变器的6个IGBT管，输出三相电通过滤波后并入电网.

图5 直流微网系统的模型

3.2 直流微网逆变器的仿真结果

直流微网结构的工作波形为：图6所示 MPPT跟踪波形图，图7 所示逆变电路输出电压，图8 所示并网电压与电流.

图6 MPPT跟踪波形图

图6为对MPPT的跟踪效果的仿真，三点比较跟踪法通过双向扰动确认的方法来保证其可靠性，具有双向滞环特性的双向扰动，避免了误判的发生，同时也能抑制最大功率附近的振荡.由图6可以看出，波动范围在4.1%左右，说明采用三点比较跟踪法可以实现快速跟踪效果.

图7 逆变电路输出电压

图7是经过BOOST电路升压后逆变器输出的电压波形，可以看出，输出的电压达到较理想的效果；图8是经过滤波后并网的电网电压与逆变器输出电流的波形，能够达到电压与电流同频同相，可以实现并网.

图8 并网电压与电流

3.3 SPWM控制与SVPWM控制比较

为证明本文SVPWM控制效果，在相同的条件下对传统的SPWM控制进行仿真与上节SVPWM控制效果进行对比.将图5仿真模型中逆变器的开关管给定脉冲方式变为SPWM方法，即可得到图9所示的输出效果.

图9 采用SPWM方法并网电压电流

由图8和9对比可以看出，图8采用SVPWM方法并网后的电压与电流能够达到同频同相，图9传统SPWM方法并网电流与电压有一定的相位差，不能达到同频同相的效果，说明本文SVPWM控制较传统SPWM控制在并网输出效果上有一定的优势.

3.4 实验验证

在仿真的基础上，依据仿真结果设计了三相微网逆变器测试平台，如图10所示.在此实验平台上，进行了相关性能的测试.图11是SVPWM的测试波形，可以实现输出脉宽对IGBT的控制；图12是逆变器输出的电压波形，测试的结果表明，采用本文的控制方法，逆变器能够输出理想的电压波形；图13是经过滤波后其中一相的正弦电压波形；图14是微电网并网的电压波形，输出结果显示，三相电压波形能够达到并网的效果.

图10 三相微网逆变器实物

图11 SVPWM示波器波形

图12 电压波形

图13 滤波后其中一相的正弦电压波形

图14 微电网并网电压波形

4 总结

本文结合微电网中分布式能源并网的要求，设计了基于三点比较跟踪法结合SVPWM技术实现的三相微网逆变器，并利用MATLAB建立了相关模型进行仿真并搭建实验平台来验证本文所提出控制方法.结果证明，上述方法可以实现微网并网逆变器输出的相电压为理想三电平阶梯波，经滤波后电压和电流均为规则正弦波，且能实现同频同相，较好地实现了光储结构的微电网并网功能.

[1] 杨新法,苏 剑,吕志鹏,等.微电网技术综述[J].中国电机工程学报,2014,34(1):57-70.

[2] 张 敏,江 博,杨 磊,等.基于SVPWM的新型光伏并网逆变器的研究[J].电气技术,2010(9):36-39.

[3] 周 东,林 平,李玉玲,等.三相光伏并网电流型PWM逆变器的研究[J].电子技术应用,2010,36(5):80-83,86.

[4] 刘 建,冉玘泉.PWM型光伏并网逆变器的双闭环控制系统设计及仿真研究[J].电气开关,2015,53(5):63-66,69.

[5] 吕勇军,鞠振河.太阳能应用检测与控制技术[M].北京:人民邮电出版社,2013.

[6] 张 兴.高等电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2011.

[7] JIA YingYing,WANG XuDong,Mao LiangLiang.Application and simulationg of SVPWM in three phase inverter[C]//Proceedings of the 6th International Forum on Strategic Technology.Harbin:IEEE Strategic Technology,2011:541-544.

[8] 袁登科,徐国卿,张舟云,等.一种新型空间电压矢量脉宽调制方法[J].同济大学学报(自然科学版),2008,36(12):1 702-1 706.

[9] 张 雪,曹 勇,胡艳美,等.基于SVPWM的三相三电平光伏并网逆变器的研究[J].辽宁工业大学学报(自然科学版),2015,35(1):10-15.

[10] 曾允文.变频调速SVPWM技术的原理、算法与应用[M].北京：机械工业出版社,2010.

[11] 岳 舟.基于双闭环控制的并网逆变器研究[J].电源技术,2013,37(10):1846-1848,1880.

[12] 汪江其,王群京,李国丽,等.基于SPWM / SVPWM调制策略的逆变器效率研究[J].电气传动,2013,43(1):39-43.

【责任编辑：蒋亚儒】

ResearchofopticalstorageDCmicro-gridinverter

CHEN Jing-wen, ZHANG Rong， ZHANG Dong， ZHOU Xin, MENG Yan-jing

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science amp; Technology, Xi′an 710021, China)

With the application of micro grid is more and more widely,the inverter as the main equipment has bec-ome the core focus in the grid research.Aiming at the characteristics of the micro grid designs a three-phase inv-erter based on the three-point comparative tracking method and SVPWM technology.The paper analyzes the wor-king principle and structure of the inverter and major designs micro-grid inverter MPPT algorithm and SVPWM.B-ased on above,paper builds micro-inverter model,and establishes simulation model and experimental platform to validate the effectiveness of the MPPT and SVPWM method .The results show that the control method can better achieve transmission effect of micro grid power.

micro grid; MPPT; SVPWM; inverter

2017-08-01

国家自然科学基金项目(51577110)； 陕西省科技厅工业科技攻关计划项目(2015GY074)； 西安市科技局科技计划项目(2017068CG/RC031(SXKD001))

陈景文(1978-)，男，内蒙古赤峰人，副教授，硕士生导师，研究方向：微电网技术及应用

2096-398X(2017)06-0159-05

TM46

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