基于无差拍算法的单相光伏并网逆变器的研究

艾淑云，翟登辉，李献伟，王 毅

(1.中国电力科学研究院，北京100192;2.许继电气股份有限公司，河南 许昌461000)

0 引言

在能源紧缺、环境恶化的今天，太阳能以其无污染、可再生、取之不尽等独有的优势成为研究的焦点。光伏发电必将从补充能源向替代能源过渡。近年来，随着电力电子技术、控制技术以及新能源应用技术的发展，光伏并网发电系统逐渐成为光伏发电技术的研究热点，其应用范围越来越大，是光伏发电的主流发展趋势。而光伏并网逆变器作为光伏并网发电系统的核心设备，其主要功能就是将太阳能电池板发出的直流电转换为与电网电压同频同相的交流电，从而实现单位功率因数的并网运行，因此并网逆变器效率的高低、性能的优劣以及环境适应性等指标将直接影响整个光伏发电系统的性能和投资。

本文以单相光伏并网系统为研究对象，对其关键技术进行深入分析，在Matlab/Simulink环境下搭建系统仿真模型，仿真结果验证了基于无差拍算法的电压电流双闭环控制策略以及MPPT算法的可行性和有效性，最后在3 kW单相光伏并网逆变器的样机上进行了试验验证。结果表明，无差拍控制算法的逆变器不仅逆变电流THD较低、系统动态响应快，而且实现了逆变电流的单位功率因数并网运行。

1 单相光伏并网系统的构成

如图1所示，该光伏并网系统是工频隔离型单级式单相光伏并网系统，电容C1起到稳定直流电压的作用，逆变桥输出电流经LC滤波后通过隔离变压器升压并入电网。UAB为逆变桥的输出电压，L为滤波电感，Unet为电网电压，i为并网电流，它们之间满足以下关系:

2 关键技术

图2为单相并网系统的结构框图，系统控制采用电压外环、电流内环的双闭环控制［1，2］策略，其中外环为直流电压环，采用PI控制器，用于稳定直流侧电压;内环为并网电流环，用于实现单位功率因数运行，控制器采用无差拍控制，能够实现无差跟踪，具有良好的动态性能。

图1 单相光伏并网系统的构成

图2 基于无差拍控制的双闭环控制原理图

下面对并网逆变器中的关键技术进行分析。

2.1 MPPT 算法

最大功率点跟踪(简称MPPT)是指系统在任何温度和日照条件下都能跟踪光伏电池输出的最大功率。目前常用的算法有电导增量法、CVT法、扰动观测法以及模糊控制法［3］等。

本文对传统扰动观测法进行改进来实现MPPT，具体方法是:逆变器初始工作时，光伏阵列的电压为开路电压Uoc，此时在P-V曲线的右侧，因此，初始跟踪时，不用进行扰动方向判断，而直接进行－step的扰动，为使跟踪速度快，此时步长step较大;当电压达到0.85Upv时，再转换为传统扰动观测法进行扰动，为了保证跟踪精度好和最大功率点波动较小，此时步长step应取小。该算法避免了传统的扰动观测法因初始扰动方向判断错误而导致的不跟踪现象的出现。

2.2 无差拍控制原理

由图1可知，逆变器工作时的差分方程［4］为:

无差拍算法的原理是在开关周期的开始时刻，采集并网电流i(k)，利用开关周期Ts内的电网电压平均值(k)以及已知的k+1时刻参考电流iref(k+1)来计算桥侧输出电压(k)，计算出占空比D(k)大小，从而确定开关器件的通断时刻。

3 仿真模型

根据图2建立基于无差拍控制算法的双闭环控制的Matlab仿真模型，如图3所示。

图3 基于无差拍算法的双闭环控制仿真模型

无差拍控制算法由S-Function编写，该模块输入分别为并网电流i(k)、三角载波、k+1时刻的电流参考值iref(k+1)、电网电压瞬时值Unet;输出为PWM脉冲信号。

4 仿真结果

4.1 光照不变

图4为光照不变时的测试结果，表明电压外环PI调节器使Upv能实时跟踪参考电压U*pv，实现了直流电压的稳定控制，波动幅值较小。此时的电网电压与逆变电流波形如图5，并网电流与参考电流波形如图6。

图4 光照不变时参考电压U*pv与直流侧电压Upv

图5 电网电压和逆变电流

图6 并网电流与参考电流

4.2 光照变化

图7为光照变化时的测试结果，仿真时间为［0 0.2 0.4］，光照强度依次设置为1 000 Lux、800 Lux和600 Lux，图7表明直流侧电压也跟着光照变化而变化，系统的动态响应较快。

图7 光照变化时参考电压与直流侧电压Upv

5 样机试验

研制了额定功率3 kW的光伏并网逆变器样机，主控制器采用TI公司的TMS320F28335芯片，该芯片主频150 MHz，支持浮点运算，用于产生PWM脉冲、AD采样及各种软件保护等，滤波电感L=1.2 mH，滤波电容C=2 μF。实际电网电压和并网电流波形如图8所示。

图8 实际电网电压和并网电流

6 结论

光伏并网系统的Matlab仿真结果和3 kW并网逆变器样机的试验表明，基于无差拍算法的双闭环控制策略是可行的，在保证系统有较好的稳定性和快速的动态响应特性的同时，也实现了逆变电流的无静差跟踪参考电流以及较低的电流总谐波畸变率;另外，基于改进扰动观测法的MPPT跟踪效果好，速度快，避免了传统扰动观测法因初始扰动方向判断错误而导致不跟踪现象的发生。

［1］姜世公，王 卫，王盼宝，等.基于功率前馈的单相光伏并网控制策略［J］.电力自动化设备，2010，30(6):16-19.

［2］王红艳，王晓辉，曹丽璐.单相400 Hz逆变器双环控制技术研究［J］.电力系统保护与控制，2009，37(7):54-57.

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［4］单竹杰，林明耀，顾 娟，等.单相光伏并网逆变器的无差拍控制研究［J］.电工电气，2009，(1):5-7.

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