改进滞环电流控制在光伏并网系统中的应用

廖志帆， 祁新梅， 郑寿森， 王 飞

(中山大学理工学院， 广州 510275)

改进滞环电流控制在光伏并网系统中的应用

廖志帆， 祁新梅， 郑寿森， 王 飞

(中山大学理工学院， 广州 510275)

为减少光伏PV(photovoltaic)并网系统功率开关损耗，提高系统响应速度，同时实现电网电压电流同相运行，提出了光伏并网系统改进滞环电流控制方法。该方法基于空间矢量调制SVM(space vector modulation)的概念，结合滞环电流控制方法，通过对电流误差信号及参考电压的矢量关系改进功率器件开关状态，从而使网侧电流响应快速，同时降低系统开关频率，减少功率器件的功耗。该方法软件及硬件电路简单且易于安装，可有效降低装置成本。结果表明，该方法结合了空间矢量技术和滞环电流控制技术的优点，提高光伏系统直流侧电压利用率，并且系统响应速度快，鲁棒性好。

新能源发电系统； 并网； 滞环电流控制； 空间矢量调制

随着化石燃料的日益枯竭，新能源发电近年来得到了普遍的重视。功率变换单元是光伏PV(photovoltaic)发电系统的核心组成部件，功率变换器普遍采用电流控制技术使电网电流与电压同相，从而使系统单位功率因数运行，因此电流控制器决定了光伏系统的整体性能。广泛使用的电流控制器包括三角波比较控制器，预测电流控制器和滞环控制器[1]。其中滞环控制器实现容易，成本较低并且具有良好的鲁棒性。另外，滞环控制器的电流环响应快速兼具峰值电流限制的能力，因而使系统能够稳定快速运行。然而，由于滞环电流控制器受三相电量间互相干扰，会产生非常高的开关频率，容易使装置过热，从而使整机的效率下降。

近年来有学者提出了可控滞环宽度的电流控制器，在系统运行过程中动态调整滞环宽度，从而使开关频率恒定[3～5]。然而，这些方法中，或者需要用锁相环，使系统在大的瞬态变化情况下容易同步失稳；或者需要精确的系统参数，从而使系统的实现非常困难和复杂。

本文研究了一种基于空间矢量调制SVM(space vector modulation)优化的滞环电流控制方法，根据电网电流和指令电压的空间矢量关系，优化功率器件开关状态，使开关频率下降。研究表明，基于空间矢量的控制技术可以使直流侧电压利用率提高15%以上。另外，输出电压矢量的计算方法非常容易运算并且能够简便地下载至微控制器中运行。本文对此种方法进行理论研究并且通过结果分析验证其正确性。

1 空间矢量概念及电网电量关系

典型的单级三相不可调度式光伏并网系统如图1所示。它由光伏阵列，功率变换装置，滤波电感及内阻和三相电网组成。为了防止功率变换器短路，同一桥臂上下开关之间互锁。忽略开关死区作用的情况下，使用一个开关函数可描述每一桥臂的状态为

(1)

图1 三相光伏并网系统

由于三相系统有三个桥臂，在任何时刻可用开关函数组合来表明其开关状态(Sa，Sb，Sc)。因此，三相变换器的输出电压限制在8种状态内。三相电压值可以写为

(2)

所有电压量以虚拟电网中点O为参考点。三相功率变换器每一桥臂的输出电压可以写为

(3)

式中，Voo′是虚拟电网中点至虚拟电容中点之间电位差。因此可以得出系统总输出电压为

(4)

把以上三相量转化为二维平面量，可以得出一组输出电压矢量如图2所示。可以看出，零矢量V0包括V00(000)和V01(111)。为了降低开关频率，零矢量通常插入在相邻两个非零矢量之间。为了方便运算，本文只使用零矢量V00(000)。

图2 指令电压信号与误差电流变化速率关系

如图1所示，运用基尔霍夫电压定律，使用空间矢量概念，可列出方程

(5)

式中：i为输出电流矢量；V是输出电压矢量；L和R是电感滤波器的电感和内阻；E是电网电压向量。当系统正常工作时，电流反馈信号从并网系统输出端获取。电流的误差信号可以定义为

δ=i*-i

(6)

式中：i*是指令电流信号。把式(6)式代入式(5)，可得

(7)

从以上方程可以看出，dδ/dt受指令电流和电网电压的影响。引入一个指令电压的变量

(8)

通常，滤波电感的内阻可以忽略，因此有

(9)

dδ/dt项决定了电流误差的改变速率。由于滞环宽度一定，为减少开关频率，使dδ/dt选取为最小。图2是指令电压与误差电流变化速率关系图。从以上方程及图2可以看出，若要降低滞环开关频率输出电压V必须根据指令电压量来选取。

2 基于SVM优化的滞环电流控制

图2显示了功率变换器的输出电压向量和电流误差导数项的关系。该平面平分为6个区域。从(9)式看出，根据V*所在空间平面的位置，可以得出最优的开关状态。

引入变量[6]

(10)

(11)

(12)

函数f(x)定义为

(13)

根据这三组状态量，可以判定V*所在区域。例如，如果(SabSbcSca)状态为(100)，即参考电压的a轴分量大于b轴分量，b轴分量大于c轴分量，c轴分量大于a轴分量。那么根据电量在平面上的关系容易知道，V*在区域Ⅵ。余此类推，可根据式(10)～式(12)得出V*所有区域信息。根据V*的位置则可获得最优的开关选择。如V*在区域Ⅵ，那么从图2可以看出，最优开关量为V1(100)，V6(101)和V0(000)，因为其产生dδ/dt项最小，因此可以使开关频率下降。三相电流滞环状态可用组合(BaBbBc)表示。在区域Ⅵ内，当滞环状态为(101)时，意味着误差电流的a、c轴量应该增大，b轴量应该减小。那么此时应该选择V6；若为(100)，则应该选择V1，剩下状态选择V0矢量，从而降低开关次数。其余情况依此分析，全部输出电压向量选择在表格1的Vn列出。输出电压向量的选择可由微控制器内的表格直接获取。图3是光伏并网系统电流控制框图。

图3 光伏并网系统电流控制框图

反馈电流信号从电网获得并且与指令电流信号相比较。误差信号送至滞环计算器，再根据参考电压的位置，经过如表1的开关准则库得出最优的输出电压矢量。

表1 电流控制器开关准则表

3 结果分析

仿真实验建立了如图3所示配置10 kW光伏并网系统。实验结果分析验证了前述空间矢量调制滞环控制器有效减少了系统功耗并且具有满意的控制性能。

实验对本文提出的控制器与普通滞环控制器的开关次数进行了比较。图4是两种滞环控制器开关数量的量化比较。可以看出，在0.5 s时普通滞环控制器的开关数量大于3 500次，而矢量空间滞环控制器的开关数量只有约3 200次，开关次数降低约9%。因此，矢量空间滞环控制器可以有效地减少开关频率，使热量和能量的损失下降，从而使光伏并网系统的整体效率提高。

图5是两相空间平面内误差电流的轨迹。电流的误差总体限制在2.5A×2.5A的区域内，误差电流不时脱离中心，当这种情况发生时，指令电压区域立即改变，系统更新输出电压矢量规则，从而使电流误差回至平面中心区域，保证控制的准确性。

图6是电网单相电压和电流的瞬态关系。电网电压是交流220 V，并网电流幅值将近20 A。系统只需少于0.03 s就可工作于正常状态，可见其动态响应速率快。电网电压与电流严格同步，电网电压和电流的功率因数接近1。实验结果验证了空间矢量滞环电流控制器能正确运行且具有良好性能。

图4 两种电流控制器开关脉冲数量比较

图5 误差电流轨迹

图6 电网电压电流瞬态波形

4 结语

本文研究了一种基于空间矢量优化的光伏并网系统滞环电流控制方法。该方法显著地减少了功率器件的开关频率，从而减少能量损失，使整机效率提升。另外，使用本文的控制策略，光伏并网系统能够获得满意的控制性能，该方法结合了滞环控制和空间矢量调制方法的优点，使光伏并网系统快速且稳定地运行，具有良好鲁棒性。

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ImprovedHysteresisCurrentControlforGrid-ConnectedPVPowerSystems

LIAO Zhi-fan， QI Xin-mei， ZHENG Shou-sen， WANG Fei

(Department of Physics and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

An improved hysteresis current control techqniue for grid-connected photovoltaic (PV) system is proposed in order to reduce the power loss of the switching devices, impove the system response speed and keep the grid current in phase with the grid voltage. The technique is based on space vector modulation (SVM) concept and hysteresis current control method. By improving the switch state of power electronics devices in accordance with the space vector relationship between current error signal and reference voltage signal, fast current response is gained, and system switching frequency and overall power loss are reduced. The mehtod is easy to implement due to its simplicity in both hardware and software configurations, which can reduce the overall cost of PV system. Results show that this method offers merits of both SVM technique and hysteresis control technique, which increases the utilization of DC-link voltage and improves the response speed and robustness of the PV system.

new energy generation system； grid-connected； hysteresis current control； space vector modulation(SVM)

2010-02-23；

2010-05-05

广东省自然科学基金资助项目(8451027501001493)

TM615

A

1003-8930(2011)05-0039-04

廖志帆(1985-)，男，硕士研究生，研究方向为光伏发电技术。Email:sail_lieo@126.com 祁新梅(1965-)，女，博士，副教授，研究方向为控制技术与过程仿真。Email:qixinmei@126.com 郑寿森(1963-)，男，博士，副教授，研究方向为电力电子及控制技术。Email:zhengshs@mail.sysu.edu.cn