户用型光伏并网逆变器的研究与设计

何 军，司德亮，郭延军

(上海神舟电力有限公司，上海200233)

户用型光伏并网逆变器的研究与设计

何 军，司德亮，郭延军

(上海神舟电力有限公司，上海200233)

户用型光伏并网逆变器采用全桥逆变结构，着重分析了并网逆变器的控制策略和孤岛检测控制方法。为了稳定直流母线电压和实现单位因数并网，采用电压电流的双环控制策略；提出一种改进型主动式频率偏移法(Active Frequency Drifting,AFD)运用于并网逆变器的孤岛检测控制。Matlab/Simulink仿真表明：该并网逆变器的控制具有低电流谐波畸变率、高功率因数等特点，完全满足设计的需要。

户用型；并网逆变器；双闭环；孤岛检测；改进型AFD

国外的并网逆变器已经是一种相当成熟的产品，比较典型的有SMA、Sun Power和Siemens等公司的产品；国内相关公司的产品正处于快速发展的阶段。主要突出的问题是并网逆变器的转换效率、电流谐波畸变率以及孤岛检测等[1]。

1 户用型光伏并网逆变器的结构及原理分析

1.1 并网逆变器的电路结构

户用型并网逆变器的结构大体分为两种，其区别在于是否带有储能环节[2]。本文研究的是一种不带储能环节的单相光伏并网发电系统，并网逆变器采用电压型全桥逆变结构，如图1所示。由于直流并联有大电容，因此，直流输入侧的电压脉动比较小，整个电路呈现低阻抗特性。

1.2 全桥并网逆变器的建模

图1所示的结构图也可作为单相电压型光伏并网逆变器的等效电路。其中，2为输出滤波电感，为线路等效电阻，为电网电压。根据基尔霍夫电压定律，有：

当逆变器的占空比为D，则逆变器的输出电压Uac为：

图1 并网逆变器全桥逆变结构

根据式(1)和式(2)，有：

1.3 孤岛检测的原理分析

孤岛效应是并网逆变器可能会出现的现象，它是指电力系统的一部分(包含负载和正在运行的分布式发电设备)脱离了公共电网后单独对负载供电的状态[3]。如图2所示，光伏并网逆变器并联到公共电网上对负载供电，如果电网由于故障或检修等原因[4]停电，但并网逆变电源未能及时检测出电网停电状态，从而变成独立的光伏发电系统以自身的输出电压和频率向负载供电，此时的光伏发电系统运行于孤岛状态。

图2 孤岛效应示意图

2 并网逆变器的控制策略分析

2.1 并网逆变器的控制方式

电压型并网逆变器的控制量有两个：输入电压和输出电流。输入电压即直流母线电压，由于光伏发电系统的功率反映在输出电流上，不同的功率对应不同的输出电流，因此，本系统必须稳定输入电压；同时输出电流也必须达到并网的相关标准才能进网，所以对于输出电流的控制也是非常关键的。

基于以上分析，本文采用电压电流双闭环控制方法，控制框图如图3所示。

图3 电压电流双闭环控制框图

2.2 电流环设计

电流内环是决定系统性能的关键部分，对其要求是必须具有很快的响应速度，并且能够很好地跟踪电网电压信号，因此，电流环采用典型I型系统设计[5]。

电流环采用比列积分调节，即：

为了让PI控制器的零点能抵消电流控制对象传递函数的极点，有：

逆变器可看成一个一阶惯性环节，即：

因此，电流环控制下的开环传递函数为：

典型二阶系统的闭环传递函数可写为：

根据控制理论知识可知，欲使二阶系统获得理想的动态品质，应该满足如下条件：

对比式(9)和式(13)，可得：

解得：

式(16)、式(17)即为电流内环PI调节器控制参数的计算公式。

2.3 电压环设计

电压环的主要作用是稳压，故系统整定时，应着重考虑系统的抗扰性能，可按典型II型系统设计电压环[5]。电压环的系统控制框图如图4所示。

图4 电压环控制框图

电压环采用比列积分调节，即：由式(9)可得电流内环闭环传递函数为：

由式(22)和式(23)可得：

由此解得：

式(25)和式(26)为电压环PI调节器的理论设计参数，实际设计中可根据系统进行修改。

2.4 孤岛检测算法分析

文献[7]针对孤岛效应和检测盲区的分析，提出了各种检测方法。文献[8]主要利用常规主动式频率偏移法(Active Frequency Drifting,AFD)解决孤岛效应问题，对于不同特性的负载，常规AFD算法的不足将会体现出来。

公共检测点PCC处的电流频率能否在孤岛出现后有较大的偏移是决定孤岛检测成功的关键[9]，上周期的电压频率()决定了本周期的电流给定频率(+)，有：

基于以上分析，传统的AFD检测都是针对单向的频率扰动，而对于不同的系统，其负载特性无法预知，逆变器的电流与电压的相位角由负载决定，采用常规AFD产生的相位差等于孤岛发生时负载的相位差时，常规AFD进入检测的盲区，需要一种更加适应负载的改进型AFD检测方法。

如图5所示，本文的改进型AFD孤岛检测方法是指对并网逆变器输出的电流频率施加正反两个方向的频率扰动，以消除负载对单一频率扰动方向的平衡作用。

3 系统仿真分析

为了验证理论的正确性，通过Matlab软件下的Simulink仿真环境搭建了整个并网逆变器的仿真模型。如图6所示，该系统包括单个组件参数为表1所示、连接方式为4×4的光伏阵列模块(PV model)，Boost模块，带孤岛检测功能的并网逆变器模块。

图5 改进型AFD原理

图6 光伏并网逆变器仿真模型

由于本文主要讨论并网逆变器的控制，对于最大功率点跟踪将不再讨论，光伏阵列经过Boost后的输出电压为350～450 V。表1为光伏组件参数。

表1 光伏组件参数

3.1 并网仿真分析

仿真参数：标准状况下，线路等效电阻 0.01 Ω，电网220 V/50 Hz，仿真时间0.4 s。电流环PI参数计算值分别为和电压环PI参数计算值分别为和直流母线电压和逆变器输出电流如图7(a)和图7(b)所示。

图7 (a)直流母线电压和(b)并网电流与电网电压

电压外环和电流内环的PI参数是在理论基础上的理想值，由图7(a)可以看出，直流母线电压的调节时间比较长，0.3 s左右达到稳定。并网电流在初始时刻出现很大的波动，这是由于控制算法有一定的时间滞后，输出电流在一个电流周期跟上电网电压，达到同步的目的。这种情况下的电流总谐波畸变率为3.79%，功率因数也远远低于规定值。

为了改善直流母线电压的快速性以及并网电流的快速性和稳定性，降低双环积分系统，改双环PI控制参数为：电流环=32.2，=50；电压环'=24.4，'=20 000。仿真结果如图8 (a)和图8(b)所示。

图8 (a)直流母线电压和(b)并网电流与电网电压

从图8(a)可以看出，改变参数以后，直流母线电压在0.15 s左右很快达到稳定，上下震荡幅度在10 V以内；并网电流也较之稳定，不到一个电流周期达到同步。总电流谐波畸变率(THD)降至2.83%，符合国标的规定，功率因数也都在0.99以上，完全满足要求。

3.2 孤岛检测仿真分析

由于阻性负载对于常规AFD算法不存在检测盲区，本文直接讨论特定的RLC负载对于常规AFD检测算法情况。

对于特定的RLC并联负载，常规AFD检测下的输出电流频率如图9所示。

图9 常规AFD下RLC负载输出电流频率

系统在0.06 s模拟孤岛发生，由于RLC的特性与常规AFD施加的扰动方向相互抵消，在规定时间内一直检测不出孤岛。

针对上述的RLC负载采用改进型AFD检测，其它参数不变，输出电流频率如图10所示。从图10可以看出，系统在0.12 s左右迅速检测出孤岛，达到预期的理想效果。

图10 改进型AFD下RLC负载输出电流频率

4 结论

本文以户用型光伏并网逆变器为主要控制对象，从稳定直流母线电压和单位因数并网为出发点，采用电压电流的双闭环控制方式，详细分析了电压环和电流环的PI参数。通过Simulink仿真环境构建了并网逆变器的仿真模型，完成了一款低谐波、高功率因数的并网逆变器设计。在此基础上提出了一种改进型的AFD孤岛检测算法用于孤岛检测，仿真结果表明：改进型的算法对于任意的负载都能在规定时间(2 s)内顺利地检测出来。

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[2]王周红，王日军，施涛，等.并网光伏发电系统建模与仿真[J].农村电气化，2010(11)：48-48.

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[4]MANGO F D,LISERRE M,AQUILA A D,et al.Overview of anti-islanding algorithms for PV systems.Part II:Active methods [C]//Proceedings of 12thInternational Power Electronics and Motion Control Conference,2006.Portoroz:IEEE,2006,1884-1889.

[5]张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2012.

[6]胡雪峰，韦徵，陈轶涵，等.LCL滤波并网逆变器的控制策略[J].中国电机工程学报，2012，32(27)：146-146.

[7]张有兵，穆淼婕，翁国庆.分布式发电系统的孤岛检测方法研究[J].电力系统保护与检测，2011,39(1)：139-145.

[8]赵钢，何军，蒋辉.户用型单相光伏并网系统仿真分析[J].华东电力，2012,8(40):1376-1378.

[9]刘芙蓉.并网型户用光伏系统的孤岛检测技术研究[D].武汉：华中科技大学，2008：4-16.

Research and design on household PV grid-connected inverter

Full bridge inverter structure for household grid-connected PV inverter was adopted,and the analysis of grid-connected control strategy and island detects method were mainly mentioned.In order to maintain the DC bus voltage and keep unity power factor running,a double loop control strategy was chosen for the grid inverter.An improved active frequency drifting method was put forward to detect island.Matlab/Simulink's results show that the grid inverter designed in the paper is OK with low THD and high power factor.

household;grid-connected inverter;double-closed loop;islanding detection;improved AFD

TM 464

A

1002-087 X(2015)10-2175-04

2015-03-11

何军(1987—)，男，江苏省人，助理工程师，主要研究方向为自动化控制技术。