浅析光伏并网逆变器最大功率传输控制

罗静 四川工商学院

1 光伏并网逆变器和EL功率模型

光伏并网多采用两电平、多电平实现逆变，本论文结合三相两电平电压PWM逆变进行分析和研究。该逆变主电路的设计没有充分考虑到三相交流电网产生的内阻，将输出滤波器阻值L和逆变内阻进行等效，确定阻值为R。直流母线电压电流分别Udc、Ipv，直流输入侧电容电流数值为Ic，把光伏发电阵列输入到逆变器的电流确定为Idc，开关驱动信号定义为Sa～Sc，将把单极逻辑数学函数确定为Sj，如果该函数值为1，逆变回路中的上桥臂处于导通状态，而下桥臂完全关断，而当该函数值为0，逆变控制回路上桥臂为关断，下桥臂实现回路的导通。Ua～Uc定义为逆变器输出侧的交流电压值，ia～ic为对应的相电流，配电网交流相电压定义为Uea～Uec。那么，光伏发电并网逆变在同步旋转坐标内的数学模型为：，公式中的Sd、Sq是开关函数中在坐标系轴上的分量。在同步旋转坐标系条件下，如果三相电网为平衡状态，Ued为配电网相电压，Ueq为零值，那么逆变器输入到配电网的有功和无功功率公式为：，Um为相电压幅值。假设x=(x1、x2、x3)T,x1=p,x2=q、x3=udc，则可以推导出EL功率数学模型：，模型中的Mp是正定对角矩阵，Jp为反对称数学矩阵，而，可以准确地体现出控制系统内部的相互关联结构，Rp则可以更好的体现出系统耗散特点，up则很好地反映出输入控制。

2 最大功率传输无源功率控制器

2.1 期望平衡点

根据光伏并网逆变可以达到的最大传输功率、配电网侧功率因数和交流电谐波的要求，Pm值不断趋向于光伏并网逆变理想的输出功率值，而q值不断趋向于零，Udc与光伏发电阵列最大功率电压Umax相近，则配电网相电压需要达到。理想的稳定平衡点为X1=Pm，X2=0，X3=Umax。Pm数值的确定可以根据稳条件下期望功率平衡方程：，公式中的Pmax是光伏发电阵列中最大功率点对应的功率值。

2.2 无源功率控制器设计

因为并入配电网的光伏逆变器可以建立起EL功率数学模型，所以，并入配电网的逆变器是无源性的，可以实现对无源功率控制的优化设计。假定xe=x-x*，那以EL功率数学模型则转变为，进一步确定误差能量函数为：，就可以确定出无源功率控制公式为，那么无源功率控制函数可以确定为。从推导公式中不难发现，We(x)不断收敛至零速度与Rp有着直接关系，所以收敛速度会不断减小。由于We(x)收敛至零时，应该注入阻尼进行调节，阻尼公式为Rdxe=Rpxe+Raxe，可以将光伏发电逆变器EL功率模型转变为，那么在We(x)收敛至最小值时，如果选取的Ra远大于R，那么We(x)收敛到零是由Ra决定的，也就是提升了光伏逆变器的对R改变的鲁棒性。需要确定最为合理的Ra可以保证We(x)迅速地收敛到0，则可以很好证明无源功率控制器可以完成设定的控制目标。再对上述两个方式进行推导，光伏逆变器则以很快的速度对Pm*进行追踪，也就可达到最大功率实现上传的控制目标。

3 实验仿真

对环境参数进行设置，确定好适当的光照强度，在标准环境状态下，光伏发电阵列的最大功率点电压值为Umax=352V,Imax=19.5A,光照强度每间隔0.1秒出现400W/m2的方波跳变，运行温度以正弦波发生改变，温度运行区间为10-40℃。配电网相电压峰值达到160V,电抗值设置为15mH，电抗器及逆变器内阻值采用0.2Ω，直流母线侧电容值2200μF。根据上述参数组建仿真模型，发现在稳态条件下输出侧可以达到功率因数和电流波形正弦度的需要表明逆变器输出电流和有功功率可以实现很好的追踪功能。