光伏并网变流器控制策略要点分析

王哲俊+盛祎+殷海兵

【摘 要】近几年，由于全球能源局势不断变化及国家政策大力支持，光伏发电及其并网技术飞速发展。本文针对光伏并网逆变器的控制目标，采用空间矢量PWM（SVPWM）电流控制方式，最后对光伏并网逆变器的数学模型做出详细分析。

【关键词】光伏发电系统；SVPWM；并网变流器

中图分类号： TM615 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）35-0047-002

Analysis of Control Strategy of Photovoltaic Grid - connected Converter

WANG Zhe-jun1 SHENG Yi1 YIN Hai-bing2

（1.Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China；2.China Construction Excellence Management Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

【Abstract】In recent years， due to the constantly changing global energy situation and strong support from national policies， photovoltaic power generation and its grid-connected technologies are developing rapidly. In this paper， aiming at the control goal of PV grid-connected inverter， space vector PWM （SVPWM） current control method is adopted. Finally， the mathematic model of PV grid-connected inverter is analyzed in detail.

【Key words】Photovoltaic power generation system； SVPWM； Grid-connected converter

0 引言

并網变流器是把PV阵列产生的直流电变换成符合电网指标的交流电同时供给电网的部件，也就是电力电子技术中的有源逆变器，它是并网型光伏发电系统功率变换和控制的关键。并网变流器在转换能量的同时能够控制转变后交流电的电流、电压、频率、有功功率、无功功率等。对网侧的跟踪控制是整个功率转换系统系统的控制关键，它对系统输出电能的质量和系统的运行效率存在直接影响。

1 电压型并网变流器控制策略的分析比较

光伏并网变流器的控制策略是光伏并网发电系统的控制关键，电压型变流器控制方式有电压控制方式和电流控制方式两种。前者控制电压型变流器输出电压，后者控制电压型变流器输出电流。在电压控制方式中，如果电压型变流器输出的电压与公共电网电压相位不同，则会在电路中产生环流，但是电压型变流器的交流侧在并网后只能测出电网电压却无法有效地控制输出电压的变化。而如果电压型并网逆变器采用电流控制方式，则只需要控制电压型变流器所产生的正弦电流就能实现跟踪公共电网电压，从而实现并网。综合上述分析，电流控制方式操作更为简单，使用也更为广泛。

电压空间矢量脉冲宽度调制（Space Vector PWM，SVPWM）控制策略，即磁链跟踪控制技术，它是通过控制变流器空间电压或电流矢量的切换实现对变流器控制的一种较新的控制方法。这种控制策略采用控制逆变器空间矢量的切换来获得准圆形的旋转磁场而抛弃了原来的正弦波脉宽调制法， 使得在对开关频率要求不高的情况下，变流器也可以获得相对SPWM更好的输出特性。不过，由于空间矢量控制策略的计算量不小而且其复杂的计算将会影响到计算精度，所以它常常用于整流及控制电机等方面。

常规的SPWM的控制重点是调整变流器的输出波形，以至在主功率器件开关频率不高的情况下，不易得到品质较好的输出信号；即使提高主功率器件的开关频率，电压型逆变器的开关死区延时也会降低电压利用率，不易获得正弦度高的输出波形。而与正弦波PWM对比，电压空间矢量PWM具有以下几个优点：降低了器件的开关频率；减小了电压型并网变流器中IGBT的能耗；提高了动态响应性能；易于单片微处理的实现；具有更好的输出波形。因此得到了广泛应用。

根据上面的研究对比，对所分析的电压型并网变流器而言，更适合采用空间矢量 PWM（ SVPWM）电流控制策略。

2 光伏并网电压型变流器的数学模型分析研究

三相光伏并网主电路结构如图1所示，E表示电网电压矢量，UL表示输出滤波电感L上电压矢量，I表示变流器输出的电流矢量，Ui表示变流器输出的电压矢量，R为输出滤波电感L上等效内阻，得出三相光伏并网电压型变流器交流侧的稳态矢量关系为：

Ui=UL+UR+E

由于稳态时I的大小不变，则UL的大小也不变，此时变流器交流侧电压矢量的端点运动轨迹形成一个以电网电压矢量E的端点为圆心，以UL的大小为半径的圆。因此如果控制变流器输出电流矢量的大小和相位追踪电网电压矢量，就可以控制并网变流器的有功功率和无功功率，从而实现电压型变流器的并网控制。

在三相静止坐标系abc下，通过分析电压型变流器交流侧的稳态关系，得出电压方程如下：

Uiabc-Eabc=IabcR+L■（1）

其中，矢量Xabc=（xa，xb，xc），x表示对应的物理量，各下标表示坐标系abc中各相的变量，而Xabc∈（Eabc、Uabc、Iabc）。endprint

当只研究三相平衡系统时，系统中只有两个自由度，也就是说，根据变换前后功率守恒原则，此时的三相系统就可以进行一定的坐标变换简化为两相系统，即

Xaβ=TXabc（2）

式中T-变换矩阵，

T=■0 -■ -■0 ■ -■；

Xαβ-矢量，Xαβ=（XaXβ）T

其对应的逆变换为Xabc=T-1Xαβ，把式（2）代入（1）式并化简如下：

Uiaβ-Eaβ=IaβR+L■（3）

然后進行一定的坐标变换将两相静止αβ坐标系下的数学模型变换成两相同步旋转坐标系dq下的数学模型如下：

Xdq=T（θ）Xαβ（4）

式中T（θ）-变换矩阵，

T（θ）=cosθ sinθ-sinθ cosθ

θ为a轴与d轴的夹角；Xdq-矢量，Xdq=（XdXq）T。联立式（3）和式（4）并进行相应的数学变换得出：

Uidq-Edq=L0 ω-ω 0Ldq+L■+IdqR（5）

式中ω-同步旋转角频率，且ω=■。

在零初始条件时，对式（5）进行拉氏变换，就得出系统在dq两相同步旋转坐标系下电压型变流器频域的数学模型如下：

Ud（s）-Ed（s）-Lω0Id（s）=（sL+R）Id（s）Uq（s）-Eq（s）-Lω0Iq（s）=（sL+R）Iq（s）（6）

在式（6）中，在ω0是电网电压基波旋转角频率时，称dq两相同步旋转坐标系是基于电网电压矢量定向的同步旋转坐标系。电压型变流器输出的瞬时有功功率p和无功功率q如下：

p=■（edid+eqiq）q=■（ediq-eqid）（7）

又因为dq两相同步旋转坐标系在跟踪同步电网电压时，有eq=0，ed=|E|，所以上式（7）可化简如下：

p=■edidq=■ediq（8）

如果忽略电网电压波动所产生的不利影响，则ed的值保持恒定，从而上式（8）中电压型变流器输出的瞬时有功功率p仅与电压型变流器输出电流的d轴分量成正比，无功功率q仅与电压型变流器输出电流的q轴分量iq成正比。由此得出，在电网电压不变的情况下，就可以通过控制id、iq达到跟踪控制电压型变流器输出的有功功率p和无功功率q的目的。

3 结论

本文首先概述了电压型并网变流器控制策略，并结合电压型并网变流器的控制目标分析了当下应用较多的三相并网变流器控制策略，在对比它们各自的优缺点后，文章中采用空间矢量PWM（ SVPWM）电流控制方式，最后详细分析了光伏并网电压型变流器的数学模型。

【参考文献】

[1]张兴，曹仁贤，等编著.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京：机械工业出版社，2010.9

[2]黄勇.三相电压型PWM整流器的研究与设计[D].广州：华南理工大学，2010.

[3]彭智刚.蓄电池充放电装置用三相PWM整流器的研究[D].北京：北京交通大学，2007.

[5]孙建华.风光储输发电站中双向变流控制策略设计[D].成都：电子科技大学，2011.

[6]徐正文.三相光伏并网逆变器的研制及SVPWM算法的实现[D].天津：天津理工大学，2013.

[7]何娣.太阳能光伏并网发电系统的研究[D].西安：长安大学，2013.

[8]刘立强.三相光伏并网逆变器的研究[D].广州： 广东工业大学，2008.

[9]齐乐.单相光伏并网逆变器的研究与设计[D]. 西安： 西安科技大学，2011.

[10]赵振波.三相电压型PWM整流器及其控制策略研究[D].北京：华北电力大学，2002.endprint