LCL 型三相光伏并网逆变器控制系统的设计与仿真

宋 璐，卫亚博，冯艳平

（1.陕西中医药大学医学技术学院，陕西咸阳 712046；2.平顶山学院，河南平顶山 467000；3.郑州职业技术学院，河南 郑州 450121）

太阳能作为可再生能源之一，具有无污染、低成本和安全可靠等优点，是最常见的一种可持续发展的新能源[1]。为了更好地实现光伏发电的并网运行，需要将系统所得到的直流电转换成电网的三相交流电，其中逆变器就是必须配置的转换设备。为此，设计了一种带LCL 滤波的两级式三相光伏并网逆变器控制系统，可通过第一级DC/DC 升压电路将光伏阵列的输出电压升高，然后经过第二级逆变器实现直流对并网交流的转换，并采用LCL 滤波器对高次谐波进行滤波，最后以Simulink 为平台，进行了相应控制系统的仿真。

1 控制系统的结构和原理

三相两级式光伏并网控制系统结构如图1 所示，主要包括光伏阵列、DC/DC 直流变换器、MPPT 控制器、DC/AC 逆变器、LCL 滤波器、三相锁相环、PQ 逆变控制器和三相电网。其中，两级式控制系统第一级为DC/DC直流升压电路，第二级为DC/AC逆变器[2]。

图1 三相两级式光伏并网控制系统结构图

第一级的主要作用是使光伏阵列实现对太阳能的最大利用，并为后级提供合适且稳定的直流电压。为了保证光伏阵列的输出电压范围能够满足第二级逆变器的正常工作，一般情况下都会采用DC/DC 直流升压电路（Boost斩波电路）为后级提供合适的电压[3]。但由于光伏阵列所处的外界环境变化较大（如光照强度和温度），使其输出功率非线性特性明显，在第一级中需要使用最大功率点跟踪技术（MPPT），来使系统能够获得最大功率的输出。Boost 斩波电路的结构已经较为成熟，可以参考文献[4]，这里不再赘述。

第二级的主要作用是通过各种控制策略将第一级输入的直流电转换成满足并网需求的交流电，并在并入三相电网前通过LCL 滤波器过滤掉因采用调制解调技术而产生的高次谐波。DC/AC 逆变器的主要作用是实现逆变过程和并网控制，由三相锁相环实时准确地获取三相电网电压的同步相位信息，再由PQ 逆变控制器控制母线电压，从而获得满足并网需求的三相交流电[5]。三相LCL 型逆变器拓扑结构图如图2 所示，其中Udc为第一级Boost 斩波电路输出的直流电压，C1为直流母线上的滤波电容（可以缓解前后级能量突变），S1～S6为全桥逆变电路中的6 个功率开关管，i1a、i1b和i1c为逆变器输出侧流过电感L1的电流，i2a、i2b和i2c为并网交流电输入侧流过电感L2的电流，ua、ub和uc分别为各桥路输出相电压，L1为逆变器输出侧电感，L2为并网交流电输入侧电感，C为LCL 滤波器高频滤波电容，ica、icb和icc为流过滤波电容的电流，O点为并网交流电中性点，O′为LCL 滤波器滤波电容的中性点。

图2 三相LCL型逆变器拓扑结构图

2 光伏并网控制策略

2.1 MPPT控制策略

由于光伏阵列所处环境中的光照强度和温度的变化，使其输出的电压和输出的功率都会随之改变，从而直接影响到光伏阵列的并网效率。所以为了极大地提高电池的利用率，在并网之前需要通过最大功率点跟踪技（MPPT），来有效地确保系统能够正常工作在所处环境下的最大功率点（MPP）处[6-11]。

经典的MPPT 策略有固定电压法（CVT）、扰动观察法（P&Q）和电导增量法（INC）[12-15]。固定电压法是一种开环控制方法，控制速度快，但未考虑到温度的影响，所以控制效果较差，不适用于温差变化较大的场合[16]；扰动观察法结构简单易实现，但是精度不高，速度较慢，在最大功率点处容易产生功率震荡，所以导致效率较低；电导增量法是通过改变光伏阵列的输出电流和输出电压的变化率来实现对MPP 的跟踪，具有速度快、准确性高等优点[17-18]，所以这里选择电导增量法作为系统的MPPT 控制策略。

2.2 逆变器并网控制策略

逆变器并网控制器结构图如图3 所示，首先通过PLL 锁相环得到与d 轴同相位的三相电网相位信号ω，再结合ω经过Park 变换分别将三相静止坐标系下的电网侧电流i2a、i2b、i2c和流过滤波电容的电流ica、icb、icc，变换为两相旋转坐标系下的直流分量igd、igq和icd、icq；然后通过外环控制器得到外环控制信号idref和iqref，这两个外环控制信号同ω和Park 变换后的直流分量一起共同作为逆变器内环控制器的输入信号；各个输入信号在逆变器内环控制器内部再分别通过PI 控制器和三相PWM 调制器，最终生成PWM 脉宽调制驱动信号，将其送入到DC/AC 并网逆变器从而将第一级Boost 斩波电路输出的直流电转变为与三相电网同相位同幅度的三相交流电。

图3 逆变器并网控制器结构图

3 仿真结果分析

在LCL 三相光伏并网逆变器控制仿真系统中，采用SunPower SPR-305 作为太阳能光伏组件，则在标准测试条件下（太阳能辐射通量为10 000 W/m2，温度为25 ℃），光伏阵列各个参数分别如下：最大功率305.226 W，开路电压64.2 V，短路电流5.96 A，最大功率点电压54.7 V，最大功率点电流5.58 A。若光伏发电系统额定容量为100 kW，需要328 块光伏板，设置光伏板并联数量为33 块，串联数量为10 组，则实际装机容量为100.725 kW。

3.1 光伏阵列仿真结果

在仿真系统中将初始辐射通量设置为10 000 W/m2，得到的光伏阵列输出特性曲线如图4 所示。在图4中，分别设置了3 种不同的温度：0 ℃、25 ℃和50 ℃，得到了不同温度条件下的P-U输出特性曲线如图4（a）所示，I-U输出特性曲线如图4（b）所示。

图4 光伏阵列输出特性曲线

3.2 输出功率

将初始辐射通量和温度分别设置为10 000 W/m2和25 ℃，在0.4 s 时，将辐射通量设置为600 W/m2，在0.8 s 时，将温度设置为45 ℃，三相光伏并网逆变器控制系统输出功率仿真结果如图5所示，其中图5（a）为光伏阵列输出功率波形图，图5（b）为系统输出有功功率波形图，可以看出逆变器控制系统在0.1 s之内即可达到功率的稳定输出，并实现了对最大功率点的追踪，输出功率和光伏发电系统额定容量保持一致。

图5 输出功率仿真结果

3.3 三相并网电压和电流

设置直流母线电压为700 V，电网侧三相交流电压为380 V，频率为50 Hz，则并网电压和电流仿真结果如图6 所示。其中图6（a）为三相并网电流波形图，图6（b）为A 相并网电压和并网电流波形图，可以看出并网电压和并网电流能够保持同相位，无论并网电流随着环境的变化而如何变化，并网电压始终保持在设定值。

图6 三相并网电压和电流仿真结果

4 结束语

设计了一种LCL 两级式三相光伏并网逆变器控制系统，其中第一级为DC/DC 直流升压电路（Boost斩波电路），为系统提供合适的电压，并在MPPT 控制策略下保证系统工作在最大功率点处；第二级为DC/AC 逆变器，主要作用是实现直流量到并网交流量的转变和并网逆变控制。并且基于Simulink 设计了两级式三相光伏并网逆变器仿真系统，仿真结果表明，所设计的并网逆变器控制系统具有结构简单、可靠性高和运行速度快等优点，输出的三相电压和电流始终同相位，能够达到并网目标，仿真效果良好。