一种单相光伏系统逆变器的双环控制

李晓康，李　洁

(青岛大学 自动化与电气工程学院，山东 青岛 266071)

0　引　言

电压型逆变器的储能电容与电流型逆变器的储能电感相比具有体积小和价格低的优点，因此在单相光伏系统中得到了广泛的应用[1]。对逆变器采用双环控制方式是高性能逆变电源的重要发展方向[2]。其中，电流内环采用P调节器，扩大了逆变器控制系统的带宽，使得逆变器具有动态响应快，非线性负载适应能力强以及输出电压谐波含量小的优点。电压外环的控制器采用PI调节器[3]，加入电压均方根值回路提高了电压调整率。通过仿真分析可以证明在双环控制下的电路可以产生良好的并网电流。

1　逆变电路工作原理及模型推导

单相光伏系统的电路拓扑及逆变器的控制框架如图1所示，控制回路采用双环控制，外回路采用直流电压回路，以产生内回路的电感电流；内回路采用电感电流控制，以产生PWM的控制电压。PWM是采用正弦式PWM(SPWM)方式，以产生开关的触发信号，L-C为二阶的低通滤波器，用以减小逆变器的高频输出项，使输出电压为高频的正弦波。

由图1可得：

(1)

(2)

图1　单相光伏系统的电路拓扑及逆变器的控制框架

其中，SA和SB分别为全桥电路A桥和B桥开关的切换函数：

(3)

vconA和vconB分别为A桥和B桥的SPWM控制电压。这里开关采用单极性电压切换，因此可得：

vconB=-vconA

(4)

由公式(3)得：

(5)

式中，vtm是SPWM三角波的振幅。

把式(5)代入式(2)可得：

(6)

令

(7)

得：

(8)

公式(6)和公式(8)可以分别用于设计双环控制中的电压外环和电流内环回路。

2　控制回路设计

2.1　电流内环回路的设计

电流内环回路的设计如图2所示，其中电力电路模块根据公式(8)设计，kv和ks分别为电压和电流增益。

图2　电流内环控制回路

电流控制器G1采用P调节器，此时G1=k1，由图2可得公式(9)：

(9)

上式中的ui为电流内环回路的带宽，由此可得：

(10)

2.2　电压外环回路的设计

电压外环控制回路的设计如图3所示，其中电力电路模块利用公式(1)所设计。假设电流内环回路响应的带宽是电压外环回路带宽的四倍以上，此时，电流内环回路的响应在电压外环回路响应分析时可视为1。电压外环回路控制器同样采取前馈控制，由于存在感测负载电流，因此电压控制器利用感测的负载电流加入电流命令中作为前馈控制，用以直接消除负载电流对于电压外环回路的扰动。

电压控制器Gv采用PI控制器来设计，此时，

(11)

由图3可得：

(12)

PI调节器的电压外环回路带宽uv取电流内环回路带宽的1/4，此时：

(13)

图3　电压外环控制回路

3　提高电压调整率

(14)

上式的计算结果需经过低通滤波器滤波，低通滤波器可表示为：

(15)

图4　电压均方根值控制回路

截止频率a设定在20 Hz以下，Gm采用PI控制，以获得精确的电压调整率。

图5　简化控制回路

4　仿真电路设计

为了证明电路设计的可行性，利用PSIM仿真软件进行仿真验证。逆变器的参数设计如下，Po=115 W，Uo=40 Vac/60 Hz，kv=1/162.2，ks=1/3.472 V/A，vtri=18 kHz/5UPP，Ud=70 V；采用单电压极性切换方式，并且空白时间设为2 μs；L=1.323 mH，C=10 μF。通过上述电流内环电压外环控制回路设计的方法可求得：k1=1.68，k2=4.60。按以上参数搭建仿真电路，可以得到在非线性负载下的输出电压、输出电流及RMS电压值的波形，如图6所示。

图6　非线性负载下的仿真结果

5　结　论

本文分析了单相光伏系统逆变器的工作原理并设计逆变器的双环控制电路。在电流内环及电压外环控制回路均采用了前馈控制方式，消除了输出对回路的扰动；在电压外环控制回路加入了电压均方根值回路提高了电压调整率。在RMS值计算时采用了简化处理的方法，大大减少了计算消耗的内存资源。

参考文献：

[1]李森，臧越，丁 涛，等.电流型光伏并网逆变器的研究与设计[J].山东工业技术,2016,(22):181-182.

[2]刘俊伟.一种单相电压型逆变器双环控制[J].江苏科技信息,2016,(27):64-66.

[3]金爱娟，曹文彬，游珊妮，等.单相光伏系统的逆变器控制策略[J].电子科技,2017,30(1):19-22.

[4]张雅静，郑琼林，马亮，等.采用双环控制的光伏并网逆变器低电压穿越[J].电工技术学报,2013,28(12):136-141.