太阳能光伏发电并网逆变器控制技术的应用

徐智华

（江西电力职业技术学院动力工程系，南昌 330032）

太阳能是一种可再生性能源，此能源的利用，能够化解能源危机、保护生态环境。光伏发电是将太阳能转化成电能的主要技术，目前我国光伏研究不断深化，光伏产业逐步发展壮大。光伏发电技术已在交通、通信、石油和海洋等多项领域得到了广泛应用。为有效利用光伏发电技术，提高太阳能利用率，需要进一步优化光伏发电系统控制技术。应结合光伏并网逆变器控制目标，制定出太阳能光伏并网逆变器控制的有效策略，实现并网电流单位功率因数的有效输出。

1 并网逆变器的基本控制方法

作为有源逆变系统，光伏并网系统需要实现直流电向正弦交流电的转化，并为电网进行供电。因此，光伏并网发电系统控制目标是输出与电网电压频相相同的交流电，得出稳定、优质的正弦波。并网输出电流是并网逆变器控制的重点，控制方法主要有2 种，一是直接控制输出电流，先计算交流电流值，再得出交流电流反馈，在交流电流控制的基础上进行电流值的跟踪。此控制方法较为简单，动态响应较为快速，且不会过度依赖系统参数[1]。二是控制输出电压，间接实现对输出电流的控制，以此实现对交流侧电流及功率因数的有效控制。需要以稳态电流向量为基础，根据PWM 基波电压的向量幅值及具体相位，实现电压幅值及相位的闭环控制。此方法可免去并网电流检测环境环节，然而响应时效偏低，瞬时直流电流可能会发生偏移，且电路控制过程相对复杂。目前可采用数字控制算法、连续控制算法进行光伏电网逆变器控制，或是以PWM 控制技术作为调制方法。综合各控制方法的优缺点，本文采用正弦波脉宽调制逆变技术进行逆变器控制，选用有效值外环控制与瞬时值内环控制相结合的方法处理电路采样信号，再通过得到的PWM 驱动信号对功率器件通断进行控制，从而完成并网发电过程[2]。

2 基于正弦波脉宽调制逆变技术的并网逆变器控制策略

2.1 构建控制系统数学模型

单相光伏并网系统主电路具有H 桥型拓扑结构，在功率器件辅助下可将直流能量转化成交流能量，而后再向电网馈入，由于电网能够体现出电压源的特性，因而，需要采用电流源的形式进行电网能量的馈入。在交流侧电感滤波影响下，逆变桥会输出正弦脉宽的电压波形，再通过转化形成正弦波电流，之后便可向电网中输入。同时，由于安装了DSP 芯片的弱电控制主板，所产生的正弦波会对桥路功率开关器件的开启及闭合进行控制。单相光伏并网系统的主电路拓扑结构如图1 所示。

图1 单相光伏并网系统的主电路拓扑结构示意图

图1 中，L 为电感，iL为流经滤波电感的电流，此电流是逆变器输出电路的状态变量，按照公式（1）可计算出未经滤波的逆变器输出电压值为

式中：RL为电感及交流进线的等效电阻。之后，通过拉普拉斯变换方法，可以求出IL（s）数值，即

式中：RL为电感与交流进线的等效电阻，而G3（s）为滤波电路的传递函数。不考虑死区时间非线性影响关系，并忽略功率开关器件上4 个开关延时情况时，如果采用正弦波脉宽调制逆变技术控制太阳能光伏发电并网逆变器，桥式逆变环节将会出现滞后性，此时可等效成小惯性环节，此环节的传递函数可按下式计算

式中：KP与TP分别为逆变器增量及一个开关周期，如果开关频率值设定为10 kHz，此时TP取值为100 us。根据公式（2）与公式（3），可以绘制出逆变系统的并网电流闭环结构图（图2）。

图2 逆变系统并网电流闭环结构示意图

在非控制状态下，逆变系统被控对象的传递函数可以根据逆变器滤波电感、反馈系统求解出来，计算公式为

式中：L为逆变器滤波电流，取值为0.004 H；a为反馈系统，取值为45。逆变器增量KP及一个开关周期TP分别取值15、100 us。经过计算后，可以在仿真的基础上得到阶跃响应数据，可以发现，在不控制逆变系统时，系统可能会出现原理性稳态误差，并且需要经过12 ms的时间才可做出响应，说明系统稳定性不佳，且并非最小相位系统。

2.2 设计PI 参数

按照二阶系统进行逆变系统的设计，可得到相对稳定且响应灵敏的敏度。为此，需要利用二阶工程设计整定PI 调节器的参数值。二阶闭环系统的闭环传递函数普通形式如公式（5）所示

为增强逆变系统动态稳定性，实现给定量的快捷输出与全面跟踪，应在控制理论的基础上求解高品质系统的开环传递函数，从而得到二阶品质最佳系统闭环函数优化公式，即

若要得到更加稳定且响应快捷的逆变系统，需要利用数字信号处理器对逆变器系统进行实时的校正处理，使二者构建而成的闭环系统成为二阶最佳设计形式[3]。PI 调节器传递函数按式（7）计算

式中：KT与KI分别为PI 调节器的比例放大系数及积分时间常数，如果光伏并网逆变器系统的时间常数为，则可认为采用PI 调节器能够将此常数抵消掉。将公式（5）、（6）、（7）进行整合、联立与校正，可以得到简化后的逆变控制系统开环与闭环传递函数公式，分别如公式（8）与公式（9）所示。

由于一个开关周期为100 us，将此数据代入公式可以得出开环与闭环传递函数分别为

式中：G（s）为校正后系统的开环传递函数，Gc（s）为闭环传递函数。在完成这些公式推导之后，可以得到能够展示系统频率响应情况的开环系统伯德图（图3）及闭环控制系统阶跃响应曲线（图4）。 根据图（3）所示，PI调节开始后，逆变器开环系统处于较为稳定状态，此时开环传递函数相角裕度为67.5°，此时，穿越频率可以达到722 Hz，与规定的设计标准相符。

图3 校正后开环系统伯德图

图4 校正后闭环系统阶跃响应曲线

根据图（4）显示，PI 调节实施后，系统上升时间远远短于开环控制，仅需0.3 ms 便完成了调控，并且超调量只有4.32%，整个调节过程在0.85 ms 内全部完成，调控时并未产生稳态误差，说明采用此种调节方式能够有效提升逆变系统的稳定性。

由于PI 参数整定时采用的逆变传递函数属于经验模型，因而得出的PI 参数属于理论值，在实际调节时，还要考虑到分布参数、小时间常数等其他因素，应结合实际情况对P值与I值进行适当修正。

2.3 分析控制系统误差

求解光伏发电并网逆变器控制系统的稳态误差时，应以上述推导出的分析模型为依据，采取定量方式进行分析[4]。并网控制系统具有3 种函数，一是斜坡函数，二是阶跃函数，三是加速度函数。静态误差分析时，输入信号应选择3 种函数的线性组合，否则分析结果并不精准。并网电流为正弦函数，如果输入信号采用的是并网电流，那么计算逆变控制系统稳态误差的动态误差时，最好采用动态误差系数法。求解时，应先运用反变换法计算出输入参考电流信号

之后，可进一步求解出控制系统的误差信号，计算公式如下

式中：a、b、c、d4 个字母分别为未确定的动态误差，其中一个开关周期Tp仍取值100 us，动态误差c与d分别取值1.13 与11.158。代入上述数据，并经过拉普拉斯反变换，可以计算出逆变系统稳态误差为0.565 8cos（ωt-1.81°）。在PI 调制模式下，得到的稳态误差属于正弦函数，由此可以判断出，光伏发电并网逆变器系统具有原理性稳态误差。

2.4 光伏发电并网逆变器控制实施

光伏并网逆变器兼具独立运行及并网运行2 种工作状态，独立运行模式下，以电压型电源逆变器作为系统，主要是针对输出电压进行控制。而并网运行时，以电压型电流源逆变器作为系统，控制对象转变为输出电流。因此，利用正弦波脉宽调制逆变技术进行电流跟踪时，需要在PWM 载波频率恒定条件下进行，同时要设定不变化的开关频率，并以电流偏差调节信号作为调制信号[5]。开关频率固定的目的是减少功率器件开关耗损量，并简化输出侧滤波电感设计。为此，光伏发电并网逆变器控制时，需要联合应用有效值外环控制及瞬时值内环控制2 种方法。

根据图5 所示，断开开关S2情况下，光伏发电并网逆变器处于独立运行状态，在电压闭环条件下进行工作。如果开关S1连接到节点2 上，此时可以控制逆变电压，输出的是正弦波电压，输出电流不会对逆变器产生任何影响。同时还可利用数字锁相环技术，确保输出电压、电网电压频相一致，以降低并网后电网所受到的冲击。闭合S2时，逆变器则处于并网运行状态，在电流闭环条件下工作。此时，可使S1连接到节点1，这主要是对输出电流进行控制，由于输出电压比电网电压略高，因此，也可以利用数字锁相环技术进行二者的频相调整。构建完成电流环且待此环处于稳定状态后，可将S3开关合上，此时，输出波形会形成逆变器的控制内环，而输出电压与输出电流的有效值则共同构成控制外环。此种双闭环控制结构的应用，能够提升逆变器的负载能力，并可使输出电压及输出电流的波形、幅值均达到设计标准。此外，此种控制结构还可实现逆变器独立运行与并网运行2 种运行状态的灵活切换，且并网时无电流通过，控制效果相对理想。

图5 基于双闭环控制的逆变器控制结构示意图

3 结束语

本文在光伏并网逆变器类型分析的基础上，阐述了光伏发电并网逆变器的基本控制方法，并在此基础上构建逆变器控制系统的模型，计算出了PI 控制参数，并分析了逆变器控制系统的误差，总结出光伏逆变器电流环控制方式具备原理性误差的分析结论。之后，选用有效值外环控制与瞬时值内环控制相结合的控制策略，绘制出了逆变器控制结构图，并阐述了逆变器独立运行与并网运行时的控制模式，验证了此种双闭环控制结构在太阳能光伏发电并网逆变器控制方面成效显著。