基于电流滞环跟踪控制的三相光伏并网系统

吴玉蓉，周朝坤，薛 勇

（1.武汉纺织大学电子信息工程学院，武汉市，430073；2.湖北华电襄樊发电有限公司，湖北省 襄樊市，441414）

0 引言

随着科学技术的快速发展和生活水平的不断提高，对能源的过度消费造成了化石能源的快速枯竭和全球生态环境的严重破坏，开发利用可再生能源成为世界各国共同追求的目标。太阳能发电安全、清洁、资源分布均匀，对环境没有污染和破坏。目前，太阳能独立发电已经投入使用。受天气等因素的影响，独立的太阳能发电系统不稳定，采用光伏并网发电可提高系统的运行性能和效率，实现太阳能由补充能源向替代能源的过渡。光伏发电系统和电网的接口多采用逆变器，并网逆变器的控制性能直接影响发电系统输出的电能质量。由于电网的电压不便于控制，因此逆变器的控制对象为逆变器输出电流，要求并网电流能适时跟踪电网电压的频率、相位和并网给定容量的变化，且电流的总谐波畸变要低，以减小对电网的谐波影响。因此，并网逆变器的输出电流控制具有重要的研究价值和广阔的应用前景。

目前，电流控制主要有比例积分（proportional integral，PI）控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制、单周期控制、滞环控制等。其中：PI控制算法简单、技术成熟、具有较好的动态响应和较强的鲁棒性，但是不能实现正弦指令的无静差跟踪，系统的精度不易满足要求[1-2]；无差拍控制和预测控制的有效性在很大程度上取决于被控对象模型的精确程度，而并网逆变器为复杂的非线性系统，建立其精确模型具有一定的难度，模型选择不当会使系统控制不稳定[3-4]；模糊控制算法比较复杂[5]；重复控制不能实现短于1个基波周期的动态响应[6-7]。电流滞环的脉宽调制（pulse width modulation，PWM）逆变器采用瞬时值比较方式，虽然存在开关频率不固定的缺点，但是它具有自动峰值限制能力，电流跟踪精度高、动态响应快、不依赖负载参数和无条件稳定，不需要载波等优点。

本文针对光伏并网逆变器的运行特点，提出了输出电流滞环控制实现的并网电流控制器的设计方案，借助MATLAB仿真软件建立了三相并网逆变器的仿真模型，并对所提出的方案进行仿真分析；同时在搭建的功率为10 kW的并网逆变器试验平台上进行了试验研究。

1 三相并网逆变器主电路结构

三相并网逆变器主电路原理如图1所示。三相并网逆变器由光伏阵列、6个功率开关、3个并网电抗器和电网构成。其中：逆变器的直流电源由光伏电池方阵提供；ua、ub、uc为逆变器交流侧输出电压；ia、ib、ic为逆变器输出电流；ea、eb、ec为电网电压；L为并网电抗器，兼具有平滑滤波的作用。电感中的电流即并网电流

并网系统采用电压型逆变器，输出采用电流控制方式，电网可视为容量为无穷大的电压源，因此，只需要控制逆变器的输出电流相位与电网电压的相位同步，幅值保持正弦输出，就可以达到并联运行的目的。滞环控制用于控制逆变器的并网电流，易于实现对电网电压频率和相位的实时跟踪，响应迅速且稳定性好。

2 电流滞环控制原理

并网逆变器的电流滞环控制是把电网的电流作为给定信号，把逆变器输出的实际电流即并网电抗器中的电流作为反馈信号，通过2者的瞬时值比较来控制逆变器各功率开关，使实际的输出电流跟踪电网电流的变化，从而达到实时跟踪电网电流的目标。图2给出了电流滞环控制三相并网系统的原理图。图中，ia0、ib0、ic0为电网的电流。

三相电流滞环控制的光伏并网系统是由3个单相半桥电路组成的，为了简化叙述，本文仅以a相（图2中T1和T4桥臂组成）为例分析滞环控制的原理。

当a相并网电流ia＞ia0+δ时，T4导通，T1截止，ia开始下降；当ia下降到ia＜ia0-δ后，T1导通，T4截止，ia开始上升。这样，通过滞环比较器控制T1和T4的交替通断动作，就可以使|ia-ia0|＜δ，从而实现并网电流ia对电网电流ia0的跟踪。显然，电网电流在1个开关周期内脉动1次，其波形如图3所示。设电流上升时间和下降时间分别为t1、t2，开关周期T=t1+t2，电流变化环宽为 2δ，直流侧电压为 Udc，电网电压为 ea，且 Udc＞ea。在高开关频率下，由u=L×di/dt得

式中uL为电感上的电压。经推导可知，开关的最大频率fmax=Udc/（4Lδ）。

3 仿真研究

3.1 仿真模型

基于Matlab Simulink建立的三相并网逆变系统主电路的仿真模型，模型主要参数为：电网电压的峰值为311 V；频率为50 Hz；直流侧电压为800 V；并网电抗器的电感均为5 mH；额定输出电流的峰值为15 A，滞环的环宽为0.1 A。系统仿真模型如图4所示，系统中的滞环电流控制子系统模型如图5所示。

3.2 仿真结果

图4中示波器1中的波形为电网电压，如图6所示。由图6可知，三相电网电压的峰值电压为311 V，三相相位互差120°，频率50 Hz。

图4中示波器3的波形为并网系统中电网电流，如图7所示。由图7可知，电流滞环控制的给定信号与电网电压同频同相，幅值呈正弦规律变化，仿真中将其峰值设定为15 V。

图4中示波器4的波形为电流滞环控制三相并网系统输出电流，如图8所示。图4中示波器2的波形为电网电流和逆变系统的并网电流的比较图，如图9所示。由图9可看出，并网电流能够实时快速地跟踪电网电流，其最大偏差小于±0.05 A。电网电压与并网电流的仿真波形如图10所示。上述仿真结果验证了电流滞环控制能够快速准确的跟踪电网电压的相位，实现功率因素为1的并网电流输出。

4 结论

并网逆变器是光伏并网发电系统的关键设备之一，光伏并网逆变器的控制目标是实现输出电流对给定指令电流准确快速的跟踪。本文研究的电流滞环跟踪控制的三相光伏并网系统具有系统稳定好、电流跟踪性能好，响应快、不需要载波，能够实现功率因素为1的并网电流输出。仿真验证了设计方案的可行性和有效性。

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