基于MATLAB的光伏逆变器电压电流双闭环控制模型搭建与仿真

广西大学行健文理学院 陈 莹 谢 聪 广西韦福信息科技有限公司 陈 凯 广西职业技术学院 宁 可

在国家大力推动下，近年来光伏电池应用越来越广泛。光伏电池输出电能为直流电，然而我国绝大部分供电网络以交流供电为主，光伏电池需通过光伏逆变器将直流电能转化为交流电能后才能接入电网中。并且电网电压是存在波动的，若光伏逆变器无法快速准确跟踪电网电压，会导致运行过程中暂态动荡与冲击，可能产生环流，因此光伏逆变器的设计尤为重要。本文根据光伏逆变器的输出特性引入电压电流双闭环控制技术，以提高光伏逆变器输出的准确性和快速性，使逆变器更精准跟踪参考电压变化，并在matlab 软件中搭建模型进行仿真测试。

1 系统模型

本文采用SPWM 技术控制逆变器输出模式，SPWM 技术是将参考电压波形（又称调制波）与等腰三角波（又称载波）进行比较，根据比较结果控制对应的IGBT 管按一定顺序导通或者断开，来实现直流转化为交流。光伏逆变器结构如图3所示。其中m1、m2为电压电流检测模块。

通常光伏电池模块会与蓄电池并联接入光伏逆变器直流侧，蓄电池通过DC-DC 变换技术将直流侧输入电压钳位在固定电压值[1]。故在图1系统模型中光伏逆变器的直流输入用直流电源DC 表示。设光伏逆变器需接入电网电源为相电压220V、50Hz的三相交流电网中，并网条件是电压值、频率和相位相等。因此，以电压参考峰值为311V、参考频率为50Hz 的电压波形作为调制波。再与频率为10000Hz 的三角波进行对比，生成控制规律信号PWM2。将PWM2作用在三相全控逆变电路上，使逆变器跟踪参考电压。

图1 带滤波的逆变器结构图

此时，逆变器输出实际上是按特定规律变化的矩形波，需要经过滤波模块后才可接入电网。在逆变器输出端接入常见的LC 滤波电路，经过LC 滤波电路后逆变器A 相输出波形如图2所示，可看出逆变器输出波形在跟踪参考电压信号过程中存在很大误差。这是因为滤波环节存在一定阻抗，影响了逆变器输出，导致无法准确跟踪参考信号。

图2 经过LC 滤波电路后的A 相输出波形

2 电压电流双闭环控制电路

为了改善逆变器输出跟踪信号的能力，本文引入双闭环控制方法对光伏逆变器进行改进。通过检测滤波后的输出波形与参考电压比较获得误差，再通过误差大小与变化情况得到新的控制律来调控功率开关管，从而解决滤波电路对逆变器输出的影响，同时也能解决实际应用时电网电压波动产生的误差。根据图1可求出逆变器的数学模型：

其中，逆变器输出相电压分别为uA0、uB0、uC0；滤波后的电压分别为uA、uB、uC；流经滤波电感的电流分别为iLA、iLB、iLC；滤波电感感抗为L、等效内阻为rL；滤波电容的电容值为C，其等效内阻很小可忽略不计；Z1为负载阻抗。

若以三相电源的电流电压初始状态作为坐标系的参考方向，相交δ 会随时间变化而变化，计算十分复杂，故本文使用dq 旋转坐标系[2]，即将三相的坐标投影到两轴坐标系中，再将其看成是一个随着三相电压或电流的角频率ω 的增大而不断旋转的坐标系。令转换矩阵T 为式3，坐标变换方程为式4。根据式4对式1和式2进行坐标系转化并化简后得到式5、式6，对其分解并进行拉式变换，得逆变器输出各参数在dq 旋转坐标系下的关系方程式7。根据式7画出逆变器输出各参数在dq 坐标系下的等效系统框图（图5）。

由图3可以看出，经坐标系转换后，被控量Ud(s)和Uq(s)都受到来自另一个轴的信号干扰，相互存在耦合，影响系统调节。可根据另一个轴的干扰信号，通过加入前馈补偿控制来解开耦合、从而抵消干扰。对于本系统来说，电压前馈控制设计较为复杂，故本文只做电流前馈控制解耦。引入电压电流双闭环控制技术，电压环采用PI 调节器、电流环采用P 调节器。电压电流双闭环控制示意图如图4。

图4 电压电流双闭环控制示意图

3 电压电流双闭环控制模块与仿真

在MATLAB/simulink 中搭建abc 坐标系转dq 坐标系模型VPark，以电压坐标系转换为例，如图5所示。同理将滤波后的三相电流进行坐标系转换。经坐标转换后得到反馈信号ud、uq、id、iq，将其接入电压电流双闭环模型中与给定信号进行比较，再经过调节器和前馈补偿，输出电流给定值和，再进行P 调节。

图5 VPark 转换模块

电压电流双闭环模型如图6所示。其中，Vd＊1和Vq＊1为经过dq 坐标变换后的给定电压波形，PI调节器PI1比例系数为1，积分时间常数为30；P 调节器PI2比例系数为8，积分时间常数为无穷大。

图6 加入双闭环控制后的逆变器A 相输出电压波形

对系统进行仿真，令系统给定电压初始状态为电压幅值311V、频率50Hz，当t=0.3s 时给定电压幅值突变为250V，当t=0.5s 时给定电压频率突变为35Hz（图7）。实验结果表明，经过电压电流双闭环控制后，逆变器输出电压波形能够准确跟踪给定信号，并且当给定信号发生波动时能够快速跟随给定信号变化。对比图2可知，加入双闭环控制后系统的准确性和快速性远远超过未加入闭环调节前，实际输出电压与给定电压之间的误差减小。当给定电压发生波动时可快速跟踪信号波动，大大提高了系统性能。

图7 电压电流双闭环跟踪控制模型