一种新颖的两级式光伏并网控制方法

任碧莹，郝金莉，孙向东，张琦，安少亮

（西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048）

一种新颖的两级式光伏并网控制方法

任碧莹，郝金莉，孙向东，张琦，安少亮

（西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048）

光伏屋顶发电系统通常采用两级式Boost+逆变器的拓扑结构，为提高系统运行效率，提出了一种新型控制方法。实时判断光伏输出电压与电网瞬时电压绝对值大小的关系，当光伏输出电压高于电网瞬时电压绝对值时，Boost变换器停止工作；而当光伏输出电压低于电网瞬时电压绝对值时，Boost变换器执行直流母线稳压功能，后级逆变器控制实现最大功率点跟踪（MPPT）及单位功率因数逆变并网要求。通过仿真和实验验证了这种方法具有前级开关管动作次数少，能够有效地提高系统效率并同时确保系统并网电能质量等优点。

光伏并网；Boost变换器；间断工作；开关损耗；并网控制

随着世界能源危机的急剧恶化，太阳能发电技术越来越受到人们的青睐和关注［1］。光伏发电一体化建筑和家用屋顶发电等小功率发电系统是太阳能发电项目的一个重要分支［2］。考虑光伏电池板成本的原因，在相同输出功率的前提下，并网变换器效率的提高意味着可以少安装一些光伏电池板，从而降低整个光伏发电系统成本。非隔离并网发电逆变电路效率较高，且由于光伏阵列输出电压相对低，因此多采用Boost升压变换器与单相逆变器组成非隔离两级式单相光伏并网发电逆变电路［3-5］。传统两级式光伏并网系统通过控制前级实现MPPT，控制后级实现了直流母线稳压和单位功率因数并网［6］。文献［7］提出了一种新型光伏逆变器拓扑结构，其由罗氏升压电路、三相4开关逆变单元组成，可以有效提高光伏发电系统效率。文献［8］前级采用交错反激式变换器，提出一种根据光伏输出功率，控制有源钳位电路和反激变换器的新方法，提高了光伏模块允许的全模块范围的功率转换效率。文献［9］提出了一种新颖的控制方法，通过前级控制得到每半个周期按正弦规律变化的馒头波，再通过后级控制得到标准正弦波，这种控制方法后级控制简单，降低了后级开关频率，提高了后级变换器的效率，但是前级电路及控制方法复杂且开关损耗较高。

对于两级式光伏并网电路而言，前级Boost升压变换器的功率开关一直工作，以便保证前级的输出电压稳定在高于电网峰值电压的某一直流电压值，来确保光伏阵列产生的电能顺利注入电网。由于此时前级的功率开关管一直工作，因此整个系统的效率受到影响。为克服这一缺点，本文提出了一种前级Boost变换器间断工作的控制方法，当光伏输出电压高于电网瞬时电压绝对值时，前级Boost变换器停止工作，而当光伏输出电压低于电网瞬时电压绝对值时，Boost变换器正常工作，实现直流母线稳压功能。这种方法减少了前级电路开关管的动作次数，降低了开关损耗，提高了系统效率。

1　两级式光伏并网系统拓扑

本文采用的两级式光伏并网系统主电路框图如图1所示，前级为Boost变换器，后级为单相全桥逆变电器，并采用电感滤波。

图1　系统主电路框图Fig.1　Main circuit diagram of system

2　系统控制策略

本文提出一种新颖的两级式单相光伏并网发电逆变控制方法，用以提高系统的效率。实时判断光伏输出电压与电网瞬时电压绝对值的大小关系，当光伏阵列输出电压高于电网瞬时电压的绝对值时，前级Boost升压变换器不工作，而当光伏阵列输出电压不高于电网瞬时电压的绝对值时，Boost变换器正常工作并进行稳压控制。对于后级单相逆变器，一直进行光伏最大功率点跟踪控制和电流并网控制，实现单位功率因数并网控制功能。

图2是本文提出的两级式单相光伏并网系统改进控制方法对应的原理说明波形图。

图2　改进控制方法的原理说明波形Fig.2　Rationale waveforms of improved control method

由图2可知，在0—t1，t2—t3，t4—t5，t6—t7，t8—t9区间内，光伏阵列输出电压值VPV高于电网瞬时电压的绝对值|Vgrid|，因此这些区间都是Boost停止工作区间，令Flag=0；而在t1—t2，t3—t4，t5—t6，t7—t8区间内光伏阵列输出电压值VPV不高于电网瞬时电压的绝对值|Vgrid|，因此这些区间都是Boost正常工作区间，令Flag=1。由于电网电压按工频周期周而复始变化，因此电网电压经过取绝对值后，每半个工频周期内总存在2个Boost停止工作区间和1个Boost正常工作区间。而在Boost停止工作区间，Boost开关损耗和通态损耗降为0，相对于常规控制方式下Boost开关损耗明显降低。1个工频周期内，有4 个arcsin（VPV/311）角度区间Boost停止工作。当VPV值越接近电网电压峰值311 V，则Boost停止工作区间越长，系统效率也就越高。

同时根据本文提出的方法，当VPV值超过电网电压峰值时，前级停止工作，系统一直运行在单级式光伏并网运行方式下。因此本文提出的方法在提高系统运行效率的同时也可使得光伏阵列输出电压具有宽输入电压范围特点。

2.1前级Boost控制策略

根据Boost变换器的工作情况，控制框图如图3所示，可将前级控制部分分为2种工作模式：Boost正常工作模式和Boost停止工作模式。

图3　前级电路控制框图Fig.3　Control Block diagram of former stage circuit

1）Boost正常工作模式。当VPV＜|Vgrid|时，Boost变换器工作于这种工作模式。此时，令变量Flag为1，将直流母线给定值与实际采样值相减后，经过PI调节器得到的调制波与三角载波比较，得到PWM信号。PWM信号经驱动电路后控制Boost变换器，实现稳压功能。

这种情况下系统可以看作一个普通的两级式光伏并网系统。

2）Boost停止工作模式。当VPV＞|Vgrid|时，即Boost变换器不工作，此时令变量Flag为0，使得逆变器开关管一直处于关断状态。

此时系统可以看作单级式光伏并网系统，如图4所示。

图4　Boost变换器停止工作模式下等效电路Fig.4　Equivalent circuit in Boost converter non-operation working mode

2.2后级控制策略

根据控制要求，后级逆变电路要同时实现MPPT与单位功率因数并网的要求，此时控制等同于单级式并网控制。考虑到光伏发电系统功率跟踪运行的快速性和易实现性，本文MPPT控制采用定占空比和扰动观察法相结合的控制方法。后级控制框图如图5所示。采样光伏阵列输出电流IPV和光伏阵列输出电压VPV，根据最大功率点跟踪算法得到光伏阵列输出电压参考值Vref，与VPV相减后，其误差经PI调节器，该电压外环得到单相逆变电路输出电流幅值参考Iref。电网电压Vgrid经过数字锁相环得到同步旋转角θ，该同步旋转角进行正弦计算并与Iref相乘，得到输出电流参考值iref，与实际的单相逆变电路输出电流iac之差经PI调节器，电流内环得到逆变电路开关的脉冲宽度调制输出信号，从而产生与电网电压相位一致的电流信号。

图5　后级电路控制框图Fig.5　Control block diagram of backer stage circuit

2.3电容参数设计

两级式光伏并网系统中有2个电容：光伏模块输出侧的电容C1和前后级之间并联的电容C2。在传统控制方式下，C1用作滤波电容，取值较小；C2对前后级功率传输器缓冲作用，通常取值较大。

对于本文提出的改进控制方法，由于Boost变换器间断工作，为保证Boost变换器停止工作模式下，功率传输仍能正常进行，因此，C1主要起功率缓冲的作用，C1取值可参考单级式并网系统的平波电容，其中C1计算公式：

式中：K为允许的光伏电池电压波动系数，取0.1；ω为电网电压角频率。

由于C1已经起到了缓冲功率传输的作用，因此，C2只需实现Boost变换器输出滤波功能，取值较小，按照输出滤波电容设计，如下式：

式中：ΔVdc为要求的纹波电压；fs为开关频率。

3　仿真与实验验证

3.1仿真验证

为了验证本文所提出的控制方法，在PSIM环境下建立了仿真模型。仿真参数为：光伏阵列最大功率PPV=4 kW，光伏阵列最大功率点电压VPV=180 V，直流母线电压参考值Vdc=400 V，电网电压220 V/50 Hz，Boost变换器平波电容C1= 4 000 μF，储能电感LB=0.4 mH，Boost电路输出滤波电容C2=100 μF、滤波电感L=8.5 mH。

图6所示为Boost变换器运行的仿真结果。当VPV＞|Vgrid|时，Boost变换器不工作，变量Flag为0；当VPV＜|Vgrid|时，Boost变换器正常工作，Flag为1。同时也可从S0开关的调制波DCPWM看出Boost变换器开关在一段区间不工作。

图6　Boost变换器的仿真结果Fig.6　Simulation results of Boost converter operating mode

图7所示为直流母线电压仿真结果。可以看出，在Boost工作区间，在400 V左右波动，在Boost停止工作模式时下降，但直流母线电压始终高于电网电压绝对值，满足逆变要求。

图7　直流母线电压仿真结果Fig.7　Simulation results of DC bus voltage

图8所示为光伏阵列输出功率的仿真结果，Pout为光伏模块输出电压以0.02 s为周期在0～210 V之间变化时，光伏模块的实际输出功率，每个周期的最大值构成的轮廓线即为不同时刻光伏阵列输出的最大功率。光伏阵列的实际输出功率PPV与Pout的轮廓重合，可以看出光伏阵列输出功率一直运行在最大功率点处。

图8　光伏阵列输出功率仿真结果Fig.8　Output power simulation results of PV module

图9所示为电网电压Vgrid和输入电网电流iac的波形。可以看出电网电压与输入电网的电流同频同相，实现了单位功率因数逆变并网的要求。

图9　电网电压和输入电网的电流波形Fig.9　Simulation results of grid voltage and current

图10所示为工作模式切换时的电流瞬态波形，Flag从0变为1时和从1变为0时，即前级由工作到停止或由停止到工作的切换瞬间，并网电流波形无畸变，不受前级控制的影响。同时从图11所示的并网电流FFT分析结果可知，并网电流基本无谐波。

图10　工作模式切换时的电流瞬态波形Fig.10　Current transient waveform during the transition between two modes

图11　并网电流的FFT分析Fig.11　FFT analysis of grid-connected current

3.2实验验证

本文以英飞凌单片机XE164为控制核心，搭建了1台两级式光伏发电系统实验平台。实验参数为：在最大功率点跟踪运行控制下光伏电池输出电压40 V，输出功率160 W，电网电压50 V/50 Hz，直流母线电压80 V，C1为2 000 μF，其它参数同仿真条件。

图12分别是光伏输出电压Vpv，直流母线电压Vdc和电网电压Vo波形。因前后级能量平衡和随动型，直流母线上有100 Hz的波动。

图12　光伏输出电压、直流母线电压和电网电压波形Fig.12　Waveforms of the PV output voltage，DC bus voltage and grid voltage

由图12中的Vpv与电网电压绝对值比较，并根据本文所设计的方法得出如图13所示的前级Boost开关管S0的DCPWM驱动信号波形。可以看出开关管S0在20 ms工频周期内有2段区间不工作，因此前级开关管的损耗可以得到有效降低。

图13DCPWM驱动信号Fig.13　DCPWM drive signal

图14是光伏发电后级逆变器输出电流和并网电压波形。可以看出后级逆变器控制实现了单位功率因数并网功能，系统整体效率为94.5%。

图14　电网电压和逆变输出电流波形Fig.14　Grid voltage and inverter output current waveforms

4　结论

在传统两级式光伏并网系统的基础上，提出了一种新的控制思路：当光伏输出电压高于逆变输出电压绝对值时，前级Boost变换器停止工作；而当光伏输出电压低于逆变输出电压绝对值时，Boost变换器正常工作，并实现直流母线稳压功能。后级控制实现MPPT及单位功率因数逆变控制要求。

这种方法具有前级开关管动作次数少，开关损耗低的优点。通过仿真和实验验证了这种方法能够确保电能质量，并且开关次数较传统控制方式少，降低了开关损耗。

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Novel Control Method Based on Dual-stage Grid-connected Photovoltaic System

REN Biying，HAO Jinli，SUN Xiangdong，ZHANG Qi，AN Shaoliang
（Faculty of Automation and Information Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

For residential photovoltaic roof power system，two-stage structure composed of Boost converter and inverter is usually adopted.A novel control method was proposed to improve the operation efficiency of this system. The relationship between the PV output voltage and the absolute value of the grid voltage was judged in real time.If PV output voltage was higher than absolute value of the grid voltage，Boost converter stoped work.If the PV output voltage was less than the absolute value，Boost converter worked for the stability of the DC bus voltage，while the backer-stage inverter was controlled to realize the maximum power point tracking（MPPT）and unit power factor inverter.Simulation and experiment results show that the switching number of the switch tube in former-stage converter is reduced，and the efficiency of the system is improved，and the electrical quality of the grid-connected power system is ensured.

grid-connected PV；Boost converter；intermittent operation；switching losses；grid-connected control

TM615；TM464

A

2015-06-05

修改稿日期：2016-01-20

国家自然科学基金（51477139）；陕西省协同创新计划（2014XT-19）

任碧莹（1971-），女，副教授，硕士生导师，博士，Email：renby@126.com