新型光伏逆变器及其前馈功率预测控制

郭 镥，罗 安，黎 燕，2，彭双剑

（1.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082；2.中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410075）

0 引言

随着我国光伏发电产业的不断发展壮大与成熟，光伏发电系统在配电网中渗透率不断提高，光伏并网技术及其并网发电效率、系统成本等研究成为当务之急[1-2]。目前国内外对于光伏并网技术的研究，硬件上绝大部分局限于三桥臂或者四桥臂的逆变器结构[3-4]；对于光伏斩波升压电路的研究，主要集中在经典Boost升压电路及基于升压电路本身的最大功率点跟踪（MPPT）算法实现上[5-6]；光伏并网发电效率及系统成本的控制，基本上围绕光伏电池本身性能进行。通过研究光伏逆变器整体结构及其控制方法来降低系统成本、提高光伏发电效率的很少。

本文提出一种新型光伏逆变器结构，可有效提高光伏发电效率，降低光伏系统成本；同时基于分区寻优预测算法的前馈功率预测控制，具有计算量小、运算速度快、实现简单、控制精度高、可靠性高的显著优点，可简化升压电路控制，并省去传统逆变器控制的直流侧电压闭环，由逆变器本身完成光伏阵列的MPPT功能，从而提高系统的响应速度与可靠性。仿真与实验均验证了该逆变器结构和控制方法的正确性与优越性，其具有较大理论意义与实用价值。

1 新型光伏逆变器结构

图1为新型光伏逆变器拓扑结构图。其中光伏阵列是由若干组光伏电池串并联构成，通常其输出直流电压波动范围在200～400V之间。Super-Re-Lift型罗氏升压电路[7-8]由箝位二极管VDpv、中间电容CM、与开关管串联的2个正输出罗氏升压电路构成。直流侧采用由两电容串联结构，并由电容中点引出输出的C相线。逆变部分由三相四开关的两桥臂逆变单元组成[9]。逆变器输出经电感Ls滤波后，由接触器KM直接并入电网。

1.1 Super-Re-Lift型罗氏升压电路

如图1所示的Super-Re-Lift型罗氏升压电路中，以左边的正输出罗氏升压电路为例，假设开关VQpv的开关周期为T，其平均开关占空比为k。以电感L1为研究对象，其充电时间kT内端电压为Upv，其放电时间（1-k）T内端电压为UM-2Upv，则由电感LI充放电纹波平衡可得：

同理，可得：

综合式（1）、（2），可得 Super-Re-Lift型罗氏升压电路的整体升压特性为：

由式（3）可知其升压比在0.5～0.8的占空比区间内高达9～36倍，明显高于Boost升压电路的2～5倍。当光伏阵列输出电压较低时，也可以将光伏输出能量传递至逆变侧；同样的光伏出力时，其开关管占空比将降低，系统开关损耗也将减小，从而有利于整个光伏发电系统效率的提高[10-11]。同时较大的升压比也可以保证较高的直流侧电压，从而扩大两桥臂逆变结构的可靠安全运行范围。此外，由于罗氏升压电路中电容、电感器件都只起能量传递的作用，直流侧电容成为有源输出媒介，对器件本身要求不高，系统整体成本也将降低。

图1 新型光伏逆变器拓扑结构图Fig.1 Topology of new-kind photovoltaic inverter

1.2 两桥臂逆变电路

配电网中的光伏发电系统容量较小时，一般不参与电网频率/电压调节，研究时可考虑将其接入的电网系统等效为三相平衡的，此时可以采用成本较低的两桥臂逆变结构。如图1设定两桥臂逆变电路直流侧电容中点为n，电网中性点为N，逆变器输出点为 a、b、c，输出电压为 eaN、ebN、ecN，输出电流为 ia、ib、ic，则由三相平衡系统特性可知：

同时由电路的基尔霍夫电压定理可知：

结合式（4）、（5），可得两桥臂逆变电路满足：

综合式（6）、（7）可知：在电网电压保持不变的情况下，逆变器A、B两相相应的输出电压、电流通过输出滤波电感而耦合。只需要控制逆变器A、B两相输出电流，就可以控制其相应的输出电压，从而间接控制逆变器的输出功率。

2 前馈功率预测控制

直流侧电压的动态平衡是新型光伏逆变器控制的核心。预测的光伏阵列最大功率输出作为逆变器的指令信号，将能量逆变至电网侧；同时Super-Re-Lift型罗氏升压电路的开关管VQpv将以直流侧电压恒为Udc-ref为控制目标，将能量及时从光伏阵列输送至直流侧，从而实现直流侧电压动态平衡及光伏阵列MPPT功能。这种前馈功率预测控制方法将有效提高系统的响应速度[12]。

2.1 分区寻优预测算法

关于光伏阵列输出功率预测方法有很多[13-15]，但都比较复杂，工程实践应用困难。本文提出一种新型的分区寻优预测算法。该算法具有计算量小、运算速度快、实现简单、控制精度高、可靠性高等优点，且工程实用价值高，完全满足本文控制需要。

图2（a）为某地区光照强度-温度日平均曲线。为了将各种日照与温度的自然工况（忽略其他因素影响）组合区分开来，可按照二维分区因子 ξ（x，y）将曲线所在的平面划分为若干个区间，并按照光照-温度分别升序排列对各个区间进行编号。当曲线上某点自然工况 X（x，y）= （Sx，Ty）满足：

其中，Sn与Tn分别代表第n个区间的光照强度平均值与温度平均值，ξx、ξy均为常数。可定义 X（x，y）为：

图2 分区寻优预测原理Fig.2 Theory of partitioned optimal prediction

为进一步减少运算量并实现光伏阵列输出最大功率寻优，如图2（b）所示，可为划分的第n个自然工况区间（即自然工况 X（x，y）=（Sx，Ty））在内存相应开辟一个有限长度为M的堆栈SPn。令栈内元素初始值满足式（10）：

其中，y=0，1，…，M-1；Pnm0为第 n 个自然工况区间内光伏阵列对应的最大初始功率输出值；Pnmy为栈内第y+1个元素对应的光伏阵列最大功率输出值，即某时刻光伏逆变器输出的前馈功率指令值；Δφ为寻优过程中逆变器输出指令功率递增差量；SPn-pos为指向当前有效栈顶位置的指针变量。

以直流侧电压参考值与实时值之差ΔεDC为参考变量进行新型光伏逆变器输出最大功率寻优运算。令ε0为其直流侧电压正常容许调节范围，εup-max为正常工作时直流侧电压容许最大正误差，εdown-max为正常工作时直流侧电压容许最大负误差。则寻优算法的运算规则可归纳如下。

当 ΔεDC≥0 时，有：

当 ΔεDC＜0 时，有：

分析上述算法可知：分区与寻优过程中均不存在乘法运算，计算量很小；使用DSP系统后，运算速度可达纳秒级；通过调节 ξ（x，y）、Δφ、ε0等值，可方便地将直流侧电压控制精度维持在1 V左右，并有效保障整个系统的高可靠性。

2.2 新型光伏逆变器前馈功率预测控制

为充分利用太阳能，提高整个光伏发电系统发电的效率，本文将严格控制光伏逆变器输出电流ia与电网电压UaN同频同相，从而保证输出功率均为有功，其功率因数恒定为1。

图3 新型光伏逆变器控制框图Fig.3 Block diagram of photovoltaic inverter control

整个逆变器的前馈功率预测控制框图如图3所示，其中由分区寻优预测模块预测的光伏阵列输出最大功率P*ref作为前馈指令信号，分别与采样得到的A、B两相实时电网电压幅值的一半相除，得到A、B两相指令电流幅值；同时将通过锁相环（PLL）环节采样得到的A、B两相实时电网电压UaN、UbN单位相位信号，与A、B两相指令电流幅值相乘，可分别生成A、B两相指令输出电流ia*、ib*；最后指令电流与采样的电网A、B相实时电流ia、ib构成电流闭环，再经PI环节生成PWM脉冲信号，控制相应开关管通断。

由于减少了直流侧电压闭环，新型逆变器整体控制实质上仅存在一个PI延迟环节，实现简单，响应速度快，进一步提高了控制系统可靠性。

3 仿真与实验

本文利用MATLAB软件搭建了新型光伏逆变器仿真模型，并进行了2组对比仿真研究。其中光伏阵列由15串4并的光伏电池模型构成，其输入光照强度、温度等连续可调，输出电压维持在250～350 V之间；配电网电压为380 V，频率为50 Hz；逆变器输出电感为3 mH，等效电阻为0.02 Ω；直流侧采用2个10mF电容串联结构，其电压参考值Udc-ref=1200V；Super-Re-Lift罗氏升压电路中L1=L2=2 mH，C1=C2=CM=220 μF；光伏阵列输出电容 Cpv=5 mF。可取 ξ（x，y）=（5W/s2，0.01℃），ε0=1V，εup-max=εdown-max=5 V，φx=5 W。

3.1 仿真1

仿真中设定保持光伏电池模型输入光照强度S=500 W/s2、温度T=25℃不变，此时光伏输出端电压约为275 V，逆变器直流侧初始电压为零，分别采用Boost升压+两桥臂结构与Super-Re-Lift+两桥臂结构进行光伏并网发电仿真，两者都采用基于分区寻优的前馈功率预测控制，其他条件保持一致，其仿真波形如图4所示。

由图4（d）可知，在同样的自然工况下，新型光伏逆变器的输出电流有效值为2.3 A，输出功率为1 500 W，高于传统 Boost结构（图 4（b））的 1.8 A 和1200 W；如图4（c）所示，新型光伏逆变器系统直流侧电压调节速度快，系统建立平衡所需的时间为3 s左右，优于传统结构（图 4（a））的 6 s。可见，采用新型光伏逆变器结构，整体上具有明显的优越性。

图4 不同拓扑结构光伏逆变器仿真波形Fig.4 Simulative waveforms of photovoltaic inverters for different topologies

3.2 仿真2

为进一步验证逆变器的整体控制策略的有效性与优越性，仿真中假定温度T保持不变，0.5 s时光照强度S突然从1000 W/s2升至2000 W/s2并保持不变。图5为采用传统双PI控制以及新型基于分区寻优的前馈功率预测控制，两者都采用新型光伏逆变器拓扑结构时，相应的直流侧电压Udc、逆变器输出电流 ia、ib、ic及 A 相电网电压（缩小至 1/150）波形。

如图5（d）所示，当光伏输出最大功率从2.5 kW突然增加至5 kW时，采用基于分区寻优的前馈功率预测控制的系统响应速度快，几乎不需要时间，明显优于传统的双PI控制模式（图5（b））长达3～4个周期的时间；对比分析图 5（a）与图 5（c）可知，采用新的控制策略，系统直流侧电压扰动范围、振荡调节时间都将减小。整个过程中光伏输出功率因数始终为1，满足控制要求，达到了设计的控制效果。

图5 不同控制模式光伏逆变器仿真波形Fig.5 Simulative waveforms of photovoltaic inverter for different control strategies

同时在实验室搭建了相应的光伏发电系统，并制作了相应的新型光伏逆变器实验样机。光伏阵列采用15串4并结构，其直流输出电压在250～350 V之间，输出额定功率为5 kW；升压电路及逆变单元均使用英飞凌的BSM50GB170DN2系列的IGBT管，其为单桥臂螺栓型智能功率模块，额定电压1700 V、额定电流50 A；控制部分采用合众达公司的DSP2812系列开发系统。当光伏输出功率约为4.5 kW时，使用FLUKE电能质量分析仪测量光伏逆变器直流侧电压、逆变单元输出电流波形如图6所示。

图6 新型光伏逆变器实验波形Fig.6 Experimental waveforms of new-kind photovoltaic inverter

实验波形显示，当某日中午日照稳定时，光伏阵列最大功率输出保持为4.5 kW，新型光伏逆变器的直流侧电压稳定，输出电流波形光滑且畸变率低，完全满足并网要求，从而验证了所设计的新型光伏逆变器及其控制方法的有效性和合理性。

4 结论

本文提出了一种新型光伏逆变器结构，并提出了一种相应的基于分区寻优预测算法的前馈功率预测控制方法。采用该逆变器结构和控制方法可以有效降低光伏系统成本，提高光伏发电效率；同时简化逆变器控制模式，减少运算量，提高系统控制精度、响应速度与可靠性。仿真与实验均表明本文所提新型逆变器结构及控制方法的有效性和优越性。