基于Matlab的离网光伏单相全桥逆变器控制策略

安聪慧　郭英军　孙鹤旭　孔洪洪

摘 要：为了解决离网光伏发电系统为负载供电时逆变器输出电压存在谐波畸变率高的问题，提出一种改进的逆变器控制策略。首先，根据离网光伏发电系统的结构建立了单相全桥逆变器的数学模型;其次，基于数学模型分析，在接线性负载和投切线性负载时对逆变器采用电压电流双闭环控制策略，而在接非线性负载时引入输出电流反馈量，提出了由电感电流内环、输出电压外环、输出电流负反馈组成的逆变器多环稳压控制策略;最后，基于Matlab进行仿真，通过河北科技大学直流微电网系统进行试验验证，并将试验结果与仿真结果进行了对比分析。结果表明，上述3种工况下的逆变器电压谐波畸变率分别为1.8%，2.7%和2.3%，均满足小于5%的要求。研究结果对于改善逆变器的性能，提高离网光伏发电效率，以及发展新能源发电具有参考价值。

关键词：电力电子技术;离网光伏;逆变器;电压电流双闭环控制;多环稳压控制

中图分类号：TM615   文献标志码：A

Abstract： In order to solve the problem that the output voltage of the inverter has high harmonic distortion rate when the off-grid photovoltaic system supplies power for the load， an improved inverter control strategy is proposed. Firstly， a mathematical model of a single-phase full-bridge inverter is established according to the structure of the off-grid photovoltaic power generation system. Secondly， based on the mathematical model analysis， the inverter uses a voltage-current double closed-loop control strategy for the wiring load; the output current feedback amount is introduced when the nonlinear load is connected， and the multi-loop voltage regulation control strategy of the inverter consisting of the inductor current inner loop， the output voltage outer loop and the output current negative feedback is proposed. Finally， simulation is conducted based on Matlab， experimental verification is conducted with the ebei University of Science and Technology DC microgrid system， and the experimental results and simulation results are compared and analyzed. The results show that under the above three conditions， the inverter voltage and harmonic distortion rates are 1.8%， 2.7%， and 2.3%， respectively， meeting the requirement of less than 5%. This paper has research value for improving the performance of inverters and improving the efficiency of photovoltaic power generation and the development of new energy power generation.

Keywords：power electronics; off-grid photovoltaic; inverter; voltage and current dual-loop control; polycyclic regulator control

隨着经济发展，化石能源日渐枯竭，发展可再生能源迫在眉睫。太阳能取之不尽用之不竭，清洁环保，其快速发展是大势所趋。欧盟委员会联合研究中心（iont Research Centre）预测，到2050年光伏发电比例将超过1/3。因此，随着光伏发电的发展种类不断增多，光伏负载对电能的要求将急剧提高[1]。提高光伏逆变器的性能是发展光伏发电的首要问题，而其中最重要的指标之一是输出电压波形畸变率。通过采用合理的控制策略，能够比较有效地减小输出电压波形畸变率。PI控制[2-4]结构简单、理论成熟、应用最普遍，但是动态响应一般，不能实现对正弦参考信号的无静差调节，不能较好地对非线性负载扰动进行控制。若在该控制中的电压环内增加电流内环，就能使动态性能得到明显提高，并迅速消除负载扰动影响，因此研究人员提出了双闭环控制方法[5-6]。该控制方法拥有良好的静态和动态性能，但若发生非线性负载扰动，电流内环必须能够很快响应，利用数字控制方式达到理想的响应速度有一定难度。无差拍控制[7-9]动态响应极其迅速，对给定值可以很好地进行追踪，但是要求高精度的数学模型，并且当实际情况和数学模型存在差别时，系统极有可能不稳定。重复控制[10-11]利用扰动的“重复性”，根据“记忆”扰动的发生位置，就能够完成对参考信号的无静差稳态跟踪，唯一不足的是有一个周期的延时，导致动态性能难以达到预期的效果。为解决这一问题，人们通过和双闭环PI控制相结合的方法提高动态响应速度。现在，智能控制也在不断发展：神经网络控制不依赖被控对象，自我适应和学习能力很强[12]，比较适用于对不确定性或非线性的被控对象的研究;模糊控制不依赖被控对象的数学模型，自适应性比较强[13]。但是智能控制理论在逆变器方面的应用还不是很成熟，仍然需要进一步的完善。

本文基于光伏离网发电系统，对单相全桥离网光伏逆变器采用双闭环PI控制策略，分别研究其在投切线性负载和投切非线性负载时的性质，并针对其在投切非线性负载时输出电压谐波畸变率高且不满足要求[14-15]的情况，加入输出电流反馈量，形成了多环稳压控制策略，该控制策略有效减小了投切非线性负载时的输出电压谐波含量，提高了逆变器的带载能力。

1 离网光伏发电系统

本文采用的离网光伏发电系统由光伏电池阵列、DC/DC变换电路、储能电池以及离网逆变器组成，见图1，采用单相全桥式离网光伏逆变器，见图2。

本文的离网光伏逆变器采用单极性倍频SPWM调制方式，相对于其他调制方式其输出电压纹波频率翻倍，谐波性能更好，如图4所示。

2 逆变器控制策略

逆变器性能的好坏直接决定了输出电能的质量，离网逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器，电压型逆变器由于性能优越被广泛采用，分为全桥逆变器和半桥逆变器。虽然半桥逆变电路结构简单、元件少，但全桥逆变电路开关管所承受的电流减小一半，且变换容量比较大，因此本文采用单相全桥离网逆变器，控制目标是提高输出电压的稳态以及动态性能。稳态性能指输出电压稳态精度和带负载能力;动态性能指负载突变时逆变器输出电能动态响应能力[16]。逆变器的控制方法包括：开环控制、单环控制、双闭环控制和多环控制。最早用于逆变器控制的是开环控制，它不能满足逆变器对稳态性能和动态性能要求;单环控制改善了开环控制的部分问题，但当负载变动频繁时，动态性能太差;双闭环控制加入了输出反馈信号，可以达到很好地控制效果，因此本系统逆变器选择双闭环控制，控制结构图如图5所示。

该控制是将基准正弦波信号[WTBX]Uref与逆变器输出电压反馈信号Uo相比较构成输出电压外环，将产生的误差信号送给PI控制器，得到电流参考信号Iref，从而实现稳压功能。电感电流是负载电路和电容电路的电流总和，在一定程度上能反映出逆变系统的动态性能。电流内环采用电感电流与参考电流信号相比较，产生的误差信号经PI控制器调节后给PWM模块[17]。

由于电压环和电流环均相当于采用了比例环节，不可避免地造成系统静差，影响离网逆变器稳态精度，尤其在投切非线性负载时输出波形质量差。为了降低输出电压畸变，提出了多环稳压控制，多环稳压控制结构图如图6所示。

由系统结构可知，适合作反馈量的有输出电压、电流、电感电流。输出电压以及电感电流已是反馈量，因此不适合再次引入。输出电流中含有低次谐波，高次谐波成分也相对较少，方便采样，所以选用输出电流[WTBX]Io作为反馈量。通过在原有控制基础上加入输出电流Io反馈量，形成电感电流IL内环，输出电压Uo外环，输出电流Io负反馈的多环稳压控制。输出电流Io反馈量包括由于负荷变化引起的低次谐波，可在负荷改变时发出信号，使系统及时作出响应，有效减小了逆变器输出谐波含量。

3 仿真分析

3.1 线性负载仿真

如图7所示为带线性负载时离网光伏逆变器仿真模型。模型仿真时间为0.5 s，仿真算法为ode23tb，基于Matlab仿真软件，搭建线性负载时的系统结构，参数设置如表1所示。

经过仿真，得到了线性负载时逆变器输出电压和电流波形如图8、图9所示。

图10为输出电压谐波畸变率[WTBX]（TD）。通过仿真结果可知，输出电压峰值为310.7 V，谐波含量为1.8%。离网光伏逆变器带线性负载时，输出的电压、频率，及波形谐波含量（≤5%）均满足要求。

投切負载时，保持仿真参数不变，加入相同参数的负载Load1。负载Load1在0.1 s时接入，到0.3 s时断开。分析从投入负载，再到切除增加负载时的变化情况。如图11所示为投切线性负载时离网逆变器仿真模型。

如图12、图13所示，分别为投切线性负载时的输出电压和电流波形，图14为输出电压谐波畸变率（TD）。由仿真结果可知，在0.1 s时投入负载，输出电流从增加，在0.3 s时切除负载，电流减小。输出电压峰值为310.6 V，谐波含量为2.7%。离网逆变器投切线性负载时，输出的电压、频率，及波形谐波含量也满足要求。

因此，在带线性负载情况下，电压电流双闭环控制能使离网逆变器输出的电能质量较好。

3.2 非线性负载

3.2.1 双闭环控制

如图15所示为投切非线性负载时离网逆变器双闭环PI仿真模型。保持仿真参数不变，接入非线性负载模块Rectifier。线性负载Load1在0.1 s时接入，此后一直接入系统;非线性负载在0.1 s时接入，到0.3 s时断开。电容[WTBX]C1=1×e-5 F，负载Load2与负载Load，Load1设置参数一致。

如图16、图17所示，分别为投切非线性负载时逆变器输出电压波形和电流波形。图18为输出电压谐波畸变率（TD）。由仿真结果可知，在0.1 s内逆变器仅带线性负载，输出电流维持在6.4 A，波形良好;在0.1 s时同时投入线性负载和非线性负载，输出电流从6.4 A增加到19.2 A，输出电流波形出现明显畸变;在0.3 s时将投入的非线性负载切除，输出电流又减小到12.8 A，输出电流波形没有出现明显畸变。输出电压峰值为311.8 V，谐波含量为7.1%。离网逆变器投切非线性负载时，输出电压波形谐波含量不满足小于5%的要求。

综上可知，基于双闭环PI稳压控制的离网光伏逆变器有待优化，因此笔者提出多环稳压控制。

3.2.2 多环稳压控制

离网逆变器的电压电流双闭环PI控制策略具有一定的带宽限制，导致其抑制谐波能力不足，当有非线性负载扰动时，该方法对逆变器的补偿力度不够。为了降低电压输出畸变，在原有基础上加入输出电流反馈量，形成电感电流内环，输出电压外环，输出电流负反馈的多环稳压控制。输出电流反馈量包括由于负荷变化引起的低次谐波，能在负荷改变时发出信号，使系统及时作出响应，有效减少逆变器输出谐波含量。

如图19所示为投切非线性负载时离网逆变器多环稳压控制仿真模型。保持仿真参数不变，输出电流增益[WTBX]K1=-0.5，电感电流增益K2=0.52。线性负载Load1在0.1 s时接入，此后一直在系统中运行;非线性负载Rectifier在0.1 s时接入，0.3 s时断开。

图20、图21分别为投切非线性负载时逆变器输出电压波形和电流波形，图22为输出电压谐波畸变率（TD）。由仿真结果可知，多环稳压控制与双闭环PI控制相比，在投切非线性负载时，系统输出电压波形谐波含量大大减小，输出电压、电流波形未出现明显畸变[18]。输出电压为310.9 V，谐波畸变率为2.3%。离网逆变器带非线性负载时，加入输出电流负反馈调节的多环稳压控制策略能使输出电能质量得到改善，提高了离网光伏逆变器的带载能力。

4 试验验证

2019年5月25日10时6分，采用河北科技大学直流微电网试验系统（见图23）对仿真结果进行试验验证。试验系统包括：1）直流母线;2）配电线路;3）数据总线（所有设备通过RS485通讯总线与Faceview监控系统连接）。

由于篇幅有限，仅截取双闭环PI控制时投切非线性负载时的输出电压、电流、谐波畸变率的图形，如图24所示，仿真与试验结果对比见表2。

由图24和表2可知，仿真结果和试验结果可以很好的对应，由于测量设备条件等因素的影响，造成试验结果有一定的误差。仿真模型较理想，但由于存在一定的延时，也会造成一定的误差。但误差在可以接受的范围内，表明了仿真结果和试验结果均可以有效地反映逆变器的运行特性。

5 结 语

通过对离网光伏发电系统中采用的单相全桥式离网光伏逆变器进行研究，基于电压电流双闭环控制策略建立了逆变器模型，从带载能力方面分析了其性能，分别得到了带线性负载及非线性负载时逆变器输出电压、输出电流及输出电压畸变率的仿真波形。由此可知该控制策略在逆变器带线性负载时表现出良好的性能，但在投切非线性负载时输出的电压谐波含量不满足要求。因此提出多环稳压控制策略，运用仿真证明了此方法能够有效改善逆变器接非线性负载时的输出电能质量，提高逆变器的带载能力。通过在河北科技大学直流微电网试验系统中进行试验验证，将所得结果与仿真结果进行对比，证明了仿真结果的正确性和控制策略的有效性。

利用本文的控制策略，虽然在降低单相全桥离网光伏逆变器输出电压谐波畸变率方面取得了一定成果，但是还有更高的提升空間。因此，进一步研究降低逆变器输出电压谐波畸变率的控制策略是今后的努力方向。

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