光伏逆变器控制策略的仿真研究

王昉，马爱平，刘陵顺，张树团



光伏逆变器控制策略的仿真研究

王昉1，马爱平2，刘陵顺1，张树团1

(1. 海军航空工程学院，山东烟台 264001；2. 海军航空工程学院学员35队，山东烟台 264001)

本文介绍了光伏逆变器拓扑结构，建立了前级DC/DC变换电路与后级基于电流滞环跟踪控制的电压型逆变电路仿真模型，并对系统进行了仿真分析。通过仿真验证了该光伏逆变器控制策略的可行性。

光伏逆变器 DC/DC 电流滞环跟踪

0 引言

当前，人类对太阳能的利用有三个领域，即光电转换、光热转换和光化转换。其中我们应用最多也最为广泛的还是将太阳能转化为电能的光电转换方式。太阳能光伏发电是目前人类利用太阳能效率最高、技术最成熟、普及最广的方式。因此，大力发展完善光伏发电技术，利用清洁高效的太阳能才是解决当今世界能源危机的最根本途径[1]。

1 光伏逆变器的电路拓扑及控制

通常按照有无隔离变压器将光伏逆变器分为隔离型和非隔离型。在隔离型系统中，变压器将电能转化为磁能，在将磁能转化为电能，在这一转化过程中将导致一定的能量损耗，一般数千瓦的小容量变压器导致的能量损失可达5%甚至更高，这使得系统的能量转化效率过低。而在非隔离型系统中，由于省去了笨重的工频变压器或复杂的高频变压器，系统结构简单，质量变轻，且具备低能耗，高效率，低成本等诸多优点[2]。

在传统的单级非隔离光伏逆变器系统中，光伏阵列输出的电压必须在任何时刻都高于电网电压峰值，所以需要光伏电池板串联，提高电压等级。但是多个串联电池板可能由于云层遮挡等因素导致输出能量的严重损失，光伏组件电压跌落，无法保证输出电压时刻高于电网电压峰值，进而导致整个光伏系统无法正常工作。而且这使得光伏组件乃至整个系统都必须具有较高的绝缘等级，因而只有一级的能量变换往往难以实现最大功率跟踪和并网逆变这两个功能。

而多级非隔离型光伏逆变器系统中，功率变换部分一般由DC/DC和DC/AC多级变换器级联组成，增加的前级DC/DC变换电路起到了调节光伏电池组输出电压的作用，可以较好地解决传统非隔离系统存在的问题[3]。该结构已成为今后主要的光伏逆变器结构。系统的电路拓扑结构如图1所示。

1.1 前级DC/DC变换电路

前级DC/DC变换器，可选择的形式有降压式变换电路(Buck converter)，升压式变换电路(Boost Converter)，升降压式变换电路（Boost．Buck Converter），库克式变换电路（Cuk Converter）等[4]。其中升压变换器有较好的工作特性，它可以始终工作在输入电流连续的状态下，只要输入电感足够大，电感上的纹波电流小到接近平滑的直流电流，因此只需加入通量较小的无感电容甚至不加电容，避免了加电容带来的弊端。升压电路简单，功率开关器件的驱动设计方便，因此，选用Boost升压电路，结构如图2所示。

升压电路的工作原理如下：

U为升压后电压，D为占空比，U为光伏序列输出电压，可令开关器件的工作周期为，则其导通时间即为，关断时间持续(1-)。所以又有：

1.2 后级逆变器主电路

逆变器主电路最常用的结构有半桥和全桥两种。全桥电路由于桥臂输出电压存在零电压续流状态，可实现倍频，在较低的开关频率下可以获得更好的谐波控制。本文采用单相全桥逆变电路[4]。图3所示是单相全桥逆变器主电路结构图。

该电路共有四个开关器件，采用 180°导电方式，其输出为幅值相同极性相反的矩形波。图中，开关器件均有一个反并联二极管，用于开关器件关断时继续保持电流通过。

1.3 电流滞环跟踪控制方式

电流滞环跟踪控制方式采用电流反馈控制，将输出电流与给定的标准电流波形进行对比，通过滞环环节对开关器件的通断进行控制，完成输出电流信号对给定电流信号的跟踪。实际应用中一般采取电压电流双闭环结构，外环采用电压反馈控制环，内环采用电流反馈控制环[5]，如图4所示。

首先电压PI调节器所产生的电流乘以表示电网电压的单位正线信号参数后，即可得到给定电流的电流信号*，以此电流信号作为基准，对输出电流进行采样，得到实际反馈电流I，再将两者进行比较。设定固定的滞环环宽2h，滞环控制的中心思想即为将电流波动控制在滞环环宽内。将实际电流反馈于给定电流进行比较：I-i>h或I-*<-h时则滞环比较器会产生相应的开关器件控制信号来控制开关器件的通断，使输出电流相应增大或者减小，再次回到滞环环宽范围内。通过这种控制方式，则输出电流在滞环反馈的控制下，始终保持在滞环范围内波动，实现滞环电流跟踪控制。

这种控制方式的核心在于滞环宽度的控制，具有控制的方法较简单，电流能够较快的响应等优点。同时，由于其控制性能完全依赖于滞环，当环宽设定较大时，两次调节电流的时间较长，开关器件开通关断的间隔较长，器件要求不高，但由于环宽较大，输出电流的高次谐波分量大，其输出的误差相应较大。相反，环宽设定较窄时，两次电流调节时间短，虽然可以获得较小的误差，但是器件开关频率较高。

2 仿真分析

2.1 前级Boost电路仿真

取输入电压为24 V，升压目标为220 V，脉冲占空比为0.89，脉冲周期为= 0.2 ms，= 5000 Hz，初选参数为0.1 mH，的参数为1 μF，仿真输出波形如图5所示。

所得仿真结果为：输出电压在0.1416 s之后稳定在220 V，满足升压要求。仿真中同时发现单独对等参数进行调整的时，升压环节仿真波形也随之产生变化。

1) L取较大值时，升压波形响应速度较慢，但超调越小，取较小值时，升压波形响应速度较快，但超调则越大。

2)取较大值，可抑制纹波，超调较大且波形稳定需要的时间较长；反之，取较小值，纹波较大，超调较小甚至无超调，曲线比较平滑，且调整时间较小。

2.2 后级DC/AC逆变环节仿真分析

采用电压电流双闭环控制方式，设定环宽参数=0.2，电感= 2 mh，电阻=0.5Ω，则得输出波形仿真如图6所示：

从图6中可以看出电流输出波形稳定性好，其值更加逼近电流给定值，输出电流I对给定电流I的跟踪效果好。从FFT分析结果可以看出，输出电流中谐波含量少，波形质量高。

2.3 逆变系统整体仿真

对逆变系统整体进行仿真，控制策略选用较为简单的电流单闭环控制的方法。

其仿真电路如图7所示。

初始参数设定为：前级升压环节：电源电压为=24 V，升压目标为220 V，则脉冲占空比为=0.8909，脉冲发生器参数设定为0 320.7。脉冲周期为s = 0.2 ms，= 5000 Hz，初选升压环节参数为0.1 mH，滤波电容的参数为0.01 F，电容初始电压为0 V。后级逆变环节：电感=2 mh，负载电阻=0.5Ω，为取得较好电流滞环控制效果，滞环环宽参数设定为=0.2，其仿真波形如图8所示。

由图8可见，电流输出波形I初始时与给定流电I相差较多，4.95 ms之后，输出电流I跟踪到给定电流I，并开始跟随给定电流，其波形波动也滞环环宽范围内变换，基本实现电流滞环跟踪控制。

3 结论

本文主要研究了非隔离型光伏逆变系统。建立了光伏逆变器的仿真模型。研究了前级DC/DC变换电路的基本工作以及后级DC/AC逆变环节的双闭环控制策略。分别进行了两级电路及逆变系统整体电路的仿真分析，获得了仿真实验波形。通过输出波形可以看出，双闭环控制策略是一种具有良好实用性的控制手段，具有动静态特性好，输出波谐波含量少，正弦特性好的优点。通过对逆变系统整体的仿真分析，验证了非隔离型光伏逆变系统的可行性。

[1] 张晓霞，侯竞伟，殷攀攀等．太阳能发电系统现状及发展趋势[J]．机电产品开发与创新，2007，20(5)：16-18．

[2] 宋涛松．单相光伏发电系统与并网控制策略的研究[D]. 成都：电子科技大学，2011，8-12．

[3] 张兴，曹仁贤等．太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M]．机械工业出版社，2010：223-230．

[4] 周雪松，宋代春，马幼捷等．光伏并网逆变器的控制策略[J]．华东电力，2010,38（1）：80-83.

[5] 李俊林，熊健，康勇．基于双环控制和重复控制的逆变器研究[J]．电源技术应用，2004，7（4）：223-227．

Simulation of Control Strategy for Photovoltaic Inverter

Wang Fang1, Ma Aiping2, Liu Lingshun1, Zhang Shutuan1

(1. Shandong Aviation Engineering Institute, Yantai 264001, Shandong, China; 2. The 35th Team of Shandong Aviation Engineering Institute, Yantai 264001, Shandong, China)

TN722

A

1003-4862（2014）11-0007-03

2014-05-16

王昉（1982-），女，讲师，工学硕士。研究方向:电力电子与电力传动。