光伏并网逆变器控制策略的仿真与试验研究

张浩 刘文达 蒋炜

（中国船舶重工集团公司七一二研究所，武汉 430064）

1 引言

当前，随着石油能源的高度消耗，能源危机愈来愈盛，同时石化能源的开采、运输和利用对环境的影响和破坏也不容忽视。世界上主要发达国家都开始重视可再生能源的利用和研究。所有再生能源中，光伏发电是利用最灵活、最可行的一种能源。因此，在我国政府的高度重视下太阳能光伏并网发电也被列入了重点扶持的范围。光伏并网发电是利用太阳能发电的一种有效方式，光伏并网发电系统需要采用并网逆变器作为电能转换装置将光伏阵列所输出的直流电变换成交流电送入电网[1]。

光伏并网发电系统的核心是并网逆变器，其控制系统的好坏直接影响整个系统的性能。为了达到并网逆变器输出电流的幅值与相位可控并可快速跟随电网电压实现能量回馈的目的，一般采用电流内环及电压外环的双闭环控制结构，其中电压外环用于控制逆变器的输出电压， 电流内环实现网侧电流的波形和相位控制，电流内环的动态性能直接影响电压外环的控制性能和稳定性。因此，本文通过在同步坐标系中将三相交流电流分解变换成直流量，分别对有功电流和无功电流控制的基础上，采用基于空间矢量的调制方式控制并网电流，相对与采用滞环控制方式具有实时控制、电流响应快、输出电压电流波形不含特定次谐波等优点，且功率器件的开关频率固定的优点。控制框图如图1所示[2]。

图1 三相VSR p-q解耦矢量控制法结构框图

2 光伏并网系统原理

系统的基本控制过程如下：首先，控制系统将采集到的并网逆变器输出三相电流ica、icb、icc经过Clark变换和Park变换后，分解为有功电流量和无功电流量，再与指令电流比较后经过 PI电流调节器后生成新的逆变器控制指令；由于并网逆变器通常需要控制为单位功率因数运行，因此，令无功电流为零，而有功电流的指令由MPPT控制器给出。为使并网系统的有功功率输出达到最大，须采用锁相技术控制输出电流的频率和相位与电网电压严格同步，此时采集电网电压eca、ecb、ecc，利用式(1)将所测得的电网电压进行变换，然后采用相应算法利用反正切函数求得电网矢量电压旋转角度θ，θ角为同步旋转d-q坐标系下q轴与电网A相坐标轴之间的角度。见图2[3]。

在静止三相 ABC坐标系下，三相电流并网状态方程可由下式（2）来描述：

图2 静止ABC与同步旋转d-q坐标系间的变换

式中忽略电感内阻R。

为了实现有功电流和无功电流分别控制的目的，将基于静止ABC坐标系的并网方程（2）变化为同步d-q坐标系下的状态方程（3）。这样所有的交流量变换为直流量，有利于PI电流调节器对并网电流进行闭环控制。

式中，下标d、q代表d-q轴参数量；ω为电网基波电压旋转角度。

假设三相电网电压为不含任何谐波的正弦分量，应用Park变换可得d-q坐标系下[4]：

式中，V为电网每相电压的峰值。

再根据三角函数的关系，在同步旋转d-q坐标系下，三相光伏并网系统输送到电网的有功和无功功率为：

再结合上式（2-4）可得：

根据上式（6）可知，光伏并网系统输出到电网的有功功率依据d轴电流id进行调节，输送到电网的无功功率依据q轴电流iq调节。因此在同步旋转坐标系下通过对d-q轴电流分别控制就可以实现光伏并网系统输送到电网的有功和无功的解耦控制并且可通过控制d轴id电流，调节光伏阵列输出电压实现光伏并网系统的转换效率，间接提高了系统的经济效益，同时控制q轴电流iq为 0，可以使光伏阵列通过电压源型逆变器输出并网电流完全与市电电压相位相同，功率因数为1[5]。

3 电流调节器的设计

光伏并网逆变器的控制目标是实现输出电流对公用电网电压波形快速准确跟踪，为了获得期望的稳态和动态性能指标，光伏并网逆变器的电流调节器需要具有很好的随动性能，快速的跟踪电流控制环的给定信号。本文根据调节器设计特性选择典型I型系统设计内环PI电流调节器[6]。

在时域内PI调节器的传递函数为：

式中:Kip为比例系数，Kil为积分系数，

由图1可推导得，并网逆变器电流控制环的开环传递函数为[7]：

式中:K为逆变桥放大系数，Kf为电流反馈系数，τa为输出滤波器时间常数，τS为开关周期，τf为反馈滤波时间常数。

加入电流调节器后的PI校正环后，可以推导得电流环开环的传递函数为：

考虑到电流内环需要有较快的电流跟踪特性，按典型I型系统设计，消去一对零极点，得出PI电流调节器应满足[8]：

将式（10）代入式（9）得到校正为典型 I型系统的电流开环传递函数形式：

4 仿真验证与比较

为了论证光伏并网控制策略的合理性，为10 kW 工程样机的调试提供理论依据，我们以MATLAB7.1仿真软件为平台在SIMULINK中进行了原理仿真验证。仿真系统设定：光伏电池额定直流电压Udc=400 V，直流母线电容C=13400µF，输出电抗器L=10 mH，输出变压器为Y/Δ结构、变比380/95，电网电压U=380 V，频率f=50 Hz，仿真步长1e-3。

假设并网逆变器正常工作时电网相电压峰值311 V；外环MPPT给定电流有效值为70 A。并网时的输出电流和电网电压波形如图3所示。

通过分析光伏并网逆变器的仿真结果，如图4所示，可以知道：通过双闭环控制，交流侧的输出电流接近理想的正弦波，交流侧电流(方向为从逆变器往电网方向看)与电网电压同相，输出谐波THD值含量为3.02%，低于5%的国家标准，达到了单位功率因数运行。

图3 并网时的输出电流和电网电压波形图

图4 并网时的输出电流的谐波分析图

5 结束语

本文通过对10 kW光伏并网系统进行了建模和仿真，并在仿真结果的指导下进行了相应的试验研究。试验结果表明，试验与仿真结果基本吻合，从而验证了基于SVPWM的双闭环控制方法动态响应速度块，输出电流谐波含量低，功率因数高，可以实现无静差跟踪，不会对电网产生“污染”，做到了经济、环保、节能，具有良好的经济效益和社会效益。

[1] 张崇巍等. PWM 整流器及其控制. 北京: 机械工业出版社[M], 2000.

[2] 陈坚. 电力电子学[M]. 北京: 高等教育出版社,2002.

[3] 周德佳, 赵争鸣等. 具有最大功率跟踪算法的光伏并网控制系统及其实现[J]. 中国电机工程学报,2008(11), 94-100.

[4] 朱炜锋, 窦伟等. 基于 PI控制的三相光伏并网逆变器电流控制器设计[J]. 可再生能源, 2009(2), 52-58.

[5] 许颇, 张崇巍等. 三相光伏并网逆变器控制及其反孤岛效应[J]. 合肥工业大学学报, 2006(9),1139-1143.

[6] 张兴, 张崇巍等. 采用电流寻优的 MPPT光伏阵列并网逆变器的研究[J]. 太阳能学报, 2001(3),306-310.

[7] 郑诗程, 夏伟. 三相光伏并网系统的控制策略研究[J]. 电力电子, 2007(3), 43-46.

[8] 王飞, 余世杰等. 太阳能光伏并网发电系统的研究[J]. 电工技术学报, 2005(5), 72-74.