光伏单相并网逆变器分析

蒋 强，何都益，张小英，杨济豪

(乐山师范学院物理与电子工程学院，四川乐山614000)

光伏单相并网逆变器分析

蒋 强，何都益，张小英，杨济豪

(乐山师范学院物理与电子工程学院，四川乐山614000)

针对光伏电池的固有特性，采用光伏电池输出的直流电流作为并网逆变器控制的参考电流峰值，且参考电流的相位和频率以电网瞬时相位和频率为基准。引入了电网电压前馈和滤波器电容电流反馈控制方法，实现了向电网输出最多且稳定可靠的电能的目的。详细分析了光伏电池最大功率跟踪控制机理，并利用Matlab/Simulink软件仿真验证了并网电流控制系统根轨迹以及系统闭环极点。仿真结果表明：电路拓扑结构和控制方法确保了系统的稳定性和可行性。最后，通过实验验证了针对单相光伏系统设计的主电路拓扑结构及其控制方法的可行性。

光伏系统；单相逆变器；最大电流；LCL；电压前馈补偿

近年来光伏产业已由离网发电朝并网发电快速发展[1]。由于光伏阵列输出的直流电压随着光照强度、环境温度的变化而变化，且呈非线性关系变化[2-3]，根据光伏电池输出的电压功率曲线以及电压电流曲线，在光伏电池输出端需要增加一级DC/DC拓扑电路结构，该电路拓扑结构既控制最大功率输出，同时又为下一级提供稳定的直流电压。近十几年来国内外的专家学者对光伏发电系统的各个环节进行了深入研究，在20世纪90年代很多相关文献主要针对光伏电池输出的最大功率跟踪进行了分析和研究，而近年来主要对光伏并网逆变器进行了分析和研究。大多数文献仅对并网逆变器自身的结构进行了分析，没有把光伏系统整体结合起来研究。文献[4-6]对逆变系统中LC或LCL滤波器进行了理论分析和研究，但没有从整个光伏系统的角度去分析和研究其控制策略，然而光伏系统的研究必须理论结合工程应用进行研究。基于此，本文针对光伏系统中的PV电池、DC/DC和单相并网逆变器进行分析和研究[7]，基于小信号模型分析了并网电流、电网电压和电容电流控制方法。通过理论分析和仿真实验验证了光伏系统中单相并网逆变器的稳定性、可靠性及可行性。

1 单相并网电路

单相并网逆变器控制原理图如图1所示，包括光伏电池、Boost DC/DC电路和逆变器桥及相应的控制器[1，8]。前级Boost电路通过调节占空比改变光伏阵列的输出电压，实现最大功率点电压的跟踪；后级逆变电路实现光伏电池最大功率的并网传输[9]。为了详细地分析图1，下面将分析其主电路各部分的工作原理及其控制方法。

图1 单相并网逆变器控制原理图

图2是光伏系统的离网和并网方框图，光伏电池在一定的光照下，其两端呈现直流电压，当外接负载时，向负载提供直流电流，从而向负载传输电能。在一定的光照和温度的情况下，光伏电池的输出功率与光伏电池端电压的工作曲线为图3。从图中可知，此时，光伏电池输出的端电压在一定值时，光伏电池才能输出最大功率。而要控制光伏电池的端电压，只有用一个变换器电路来控制光伏电池的输出电压，而这个变换器是怎样控制的，为什么能控制光伏电池输出最大功率？没有文献介绍，甚至很多学者没有认真思考过这个问题，只是引用文献的拓扑电路进行分析，本文将从数学的角度分析其最大功率跟踪的控制电路原理。

图2 光伏系统方框图

图3 光伏电池的PV工作曲线

图4为直流电源为负载提供电能的原理图。假设光伏电池的端电压为i，光伏电池的内电阻为i，x为负载电阻，可以求得光伏电池为负载提供的功率0。如式(1)所示，式(1)对x微分，从而可以求得输出的最大功率满足的条件如式(2)所示。从式(2)可知，只有当输出电阻与光伏电池的内阻相等时，光伏电池才能向负载输出最大的功率。

图4 直流电源向负载提供电能原理图

由图4可知，当负载阻抗与光伏电池的阻抗相等时，光伏电池将向负载输出最大功率，而外界的负载阻抗以及光伏电池的内阻抗是随机的，因此就要在阻抗与光伏电池之间增加一个变换器，使光伏电池的内阻抗与负载阻抗相等。如图1所示，增加一个Boost DC/DC变换器，该变换器既实现了最大功率跟踪功能，又对光伏电池的输出电压进行了升压。从图1最大功率跟踪Boost电路中可以得出式 (3)，假设Boost DC/DC变换器的开关器件为理想器件，因此输入输出功率相等，式(4)成立。由式(3)与式(4)相除可得式(5)，从式(5)中可以看出，改变Boost DC/DC变换器开关占空比就可以近似相等。因此，通过改变Boost DC/DC变换器开关管的占空比能使光伏电池输出最大功率。

下面分析通过控制哪些参数能使光伏系统输出稳定可靠的电能。根据图1可以得到并网电流的控制框图5。图5中选择电容电流c作为内环控制量，目的是为了消除输出电流中开关频率谐波电流分量，同时增加系统的稳定性[12]。

图5 并网电流控制逆变器框图

则并网电流控制逆变器的传递函数：

图6 并网电流控制系统根轨迹(i=20)

系统的闭环极点图如图7所示，从图中可以看出，系统是一个稳定的系统，说明了控制方案的可行性。

2 仿真分析

利用Matlab/Simulink仿真软件对图1单相光伏并网系统进行仿真分析，其仿真参数如表1[10]所示。在Boost-DC/DC电路中通过控制开关管占空比来实现输出阻抗与光伏电池的内阻抗相等，从而控制光伏电池的端电压为最大功率输出的电压值。在DC/AC并网逆变器控制中，逆变器控制的瞬时参考电流的相位与频率与电网电压的相位与频率为参考值，其幅度以Boost-DC/DC变换器的直流电流值为参考电流的峰峰值。同时为了使并网系统能稳定可靠地运行，本文还引入了电网电压前馈补偿和电容电流反馈控制[11]。

图7 系统闭环极点图

表1 单相并网系统仿真参数

图8是光照强度变化时并网逆变器的输出电压和并网电流的仿真波形。从图中可知，该单相光伏并网系统能实时进行最大功率跟踪，且并网电流的谐波小于5%，因此，达到了并网系统的要求，稳定性和可靠性高。

图8 光照强度变化时逆变器并网输出电压和电流仿真波形

3 实验验证

针对以上的理论分析和仿真验证，搭建了一台2 kW光伏单相并网发电系统，主电路包括光伏电池、Boost DC/DC变换器、单相DC/AC变换器三个部分，实验波形如图9所示。图9 (a)为光照变化时光伏电池的输出直流电压波形。图9(b)为系统并网输出的电压和电流，系统可实现单位功率因数并网，向电网输出有功功率。

图9 光伏发电系统实验波形

4 结论

本文针对光伏电池固有特性，将光伏电池输出电压、电流和功率与光伏并网逆变器当作一个整体作为研究对象，分析了最大功率跟踪控制原理，采用最大功率跟踪控制方法控制Boost-DC/DC电路的开关管占空比，从而跟踪光伏电池输出最大功率时的电池端电压c。提出了用MPPT时光伏电池输出的直流电流作为并网逆变器控制的参考电流的峰值，从而向电网输出最大电能，参考电流的相位和频率以电网瞬时相位和频率为基准。同时为了确保并网逆变器向电网输出稳定和可靠的电能，引入了电网电压前馈和滤波器电容电流反馈控制的方法。本文详细地分析了光伏电池最大功率跟踪控制原理，并利用Matlab/Simulink对该系统进行了仿真，验证了单相并网逆变系统各电路部分设计的可行性。最后搭建了一台2 kW的实验样机，实验表明了光伏并网的电压与并网电流同相，能实时向电网输出最大的有功功率。

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[3]张安堂，张伟.一种光伏并网发电系统中的相位跟踪技术[J].电测与仪表，2011,48(1):39-41.

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[11]孙章.光伏微网并网与能量管控平台的研究[D].四川：西华大学，2013.

Study on single-phase photovoltaic grid-connected inverter

The Photovoltaic(-PV)grid inverter was analyzed,and the power transmission characteristics of photovoltaic cells with the photovoltaic grid inverter was combined to control the solar battery power transmission. Then a reference method of transient current was proposed,in which the photovoltaic battery power tracked and controled the maximum output current.This instantaneous exchange reference on the output current photovoltaic battery was the peak dc current,voltage phase and frequency of the instantaneous exchange was a reference current phase and frequency.At the same time,in order to ensure the stability and reliability of the connected inverter,the feed-forward control of grid voltage and the feedback control of the filter capacitance current were introduced.Finally,the feasibility of the proposed principle and control policy were verified through the simulation and experimental results.

the PV system;single-phase inverter;max-current;LCL;voltage feedword compensation

TM 464

A

1002-087 X(2015)10-2212-03

2015-03-24

乐山师范学院科研启动项目(Z1253)

蒋强(1973—)，男，四川省人，博士，副教授，主要研究方向为电力自动化、智能控制、光伏发电等。