光伏并網(wǎng)逆變器控制方法研究【摘要】本文以3KW的家用型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為例，對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心——并網(wǎng)逆變器，進(jìn)行控制策略的研究。在MATLAB/SIMULIINK環(huán)境下建立光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并選用電流滯環(huán)比較控制、無差拍控制、數(shù)字PID控制進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明，三種控制策略都能得到符合并網(wǎng)要求的輸出電流，其中無差拍控制得到的電流波形最佳。【關(guān)鍵詞】光伏并網(wǎng)，最大功率點跟蹤，逆變控制，MATLAB緒論自世界上第一座光伏電站建立以來的40多年間，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常迅速。截至2014年，全球的光伏裝機總?cè)萘砍^了160GW，我國的光伏裝機總量也達(dá)到了28GW。不過，在我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速的背后，隱藏著光伏并網(wǎng)率低的問題。針對這一問題，本文以3KW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為例，對并網(wǎng)逆變器的控制方法進(jìn)行研究。同時，對傳統(tǒng)的逆變控制方法進(jìn)行改進(jìn)，以獲得更好的逆變效果。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成如圖2.1所示，本文采用的是雙級式的單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由光伏電池、DC/DC變換環(huán)節(jié)、DC/AC逆變環(huán)節(jié)和濾波器組成。光伏電池輸出的電能進(jìn)入DC/DC變換環(huán)節(jié)進(jìn)行升壓，同時實現(xiàn)最大功率點跟蹤；穩(wěn)定的直流電壓由DC/AC逆變成交流電流，經(jīng)過LC濾波器后并入電網(wǎng)。圖圖2.1 雙級式單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)MPPT算法最大功率點跟蹤（MPPT）是指在溫度、光照發(fā)生變化時，系統(tǒng)仍能使光伏電池的保持最大功率輸出。目前，常用的MPPT控制算法有恒定電壓法、電導(dǎo)增量法、擾動觀察法[1-2]和模糊控制[3]等。本文采用的MPPT算法是一種改進(jìn)的電導(dǎo)增量法，電導(dǎo)增量法的控制原理是：通過比較光伏陣列的瞬時導(dǎo)抗與導(dǎo)抗變化量的方法來實現(xiàn)對最大功率的跟蹤；理論依據(jù)是光伏電池的P-V特性曲線是一條單峰的曲線，在最大功率點處功率對電壓導(dǎo)數(shù)為0，即，通過判斷的符號來確定增大或減小電壓。這種判斷方法需要多判斷一次的符號，增加了工作量。針對此問題，本文以作為判斷式，避免了分母為0的情況，簡化了控制過程，使算法更為簡單。算法的仿真模型如圖3.1所示。圖圖3.1 電導(dǎo)增量法的仿真模型濾波器設(shè)計理想的電網(wǎng)電壓是固定單一頻率的，幅值波動在一定允許范文內(nèi)的正弦波。經(jīng)高頻逆變控制輸出的電流中含有較多高次諧波，在并入電網(wǎng)前必須進(jìn)行濾波。在單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，逆變輸出的電流信號中的諧波頻率都在開關(guān)頻率附近及其以上。因此，本文依據(jù)定K型歸一化設(shè)計方法[4]設(shè)計一個100HZ的二階低通濾波器基準(zhǔn)的二階定K型低通濾波器的電感電容值為：Lref=1H，Cref=1F。預(yù)測逆變系統(tǒng)的特征阻抗為5，M和K的值：=待設(shè)計截止頻率/基準(zhǔn)截止頻率=100HZ/(1/2*pi)=628.32K=電路特征阻抗/基準(zhǔn)特征阻抗=5/1=5.0則并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中二階濾波器的L和C值為：由此，得到100HZ的低通濾波器如圖4.1所示。圖圖4.1 截止頻率為100HZ的低通濾波器逆變控制策略研究光伏并網(wǎng)逆變控制可以分為電壓型逆變控制和電流型逆變控制。本文采用電流型逆變控制，省去了電壓型逆變控制所需的鎖相環(huán)節(jié)，從而簡化了逆變系統(tǒng)。逆變器的控制方法可分為數(shù)字化和智能化兩大類。其中數(shù)字化控制有電壓均值控制、電流滯環(huán)比較控制、無差拍控制[5][6]、數(shù)字PID控制[7]和重復(fù)控制等；而智能化控制包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和預(yù)測控制等。本文以圖5.1所示的逆變控制仿真模型為基礎(chǔ)，對數(shù)字化控制方式中的電流滯環(huán)比較控制、數(shù)字PID控制和無差拍控制進(jìn)行研究，并在電流滯環(huán)比較控制和數(shù)字PID控制中進(jìn)行了一些改進(jìn)。圖圖5.1 逆變控制系統(tǒng)仿真模型電流滯環(huán)比較控制電流滯環(huán)比較控制方式的控制結(jié)構(gòu)簡單，不需要對系統(tǒng)建立精準(zhǔn)的模型?？刂品€(wěn)定性好，跟蹤速度快，是一種跟蹤性能優(yōu)越的控制方式。不過，由于誤差的不確定性，開關(guān)管的開關(guān)頻率時高時低；而頻率過高時，可能會損壞開關(guān)管。針對此問題，本文在滯環(huán)輸出后串入一個D觸發(fā)器，以限制開關(guān)管的開關(guān)頻率，控制器的仿真模型如圖5.2所示。圖5.2圖5.2 電流滯環(huán)比較控制仿真模型數(shù)字PID控制PID控制的實質(zhì)是一種三角波比較控制。通過反饋的采樣電流與參考電流比較得到誤差信號，將誤差信號進(jìn)行PID調(diào)節(jié)后，再與三角波載波調(diào)制得到控制PWM波。傳統(tǒng)的模擬PID由于運算速度不快，相當(dāng)于在控制器中增加了一個延時環(huán)節(jié)，影響了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。隨著DSP等數(shù)字芯片而出現(xiàn)的數(shù)字PID控制方式，通過高速的計算速度，大大提高了PID控制的響應(yīng)速度和控制精度。為了更好的跟蹤逆變器直流端電壓和電網(wǎng)電壓的變化，本文設(shè)計的數(shù)字PID控制器中，引入了直流端電壓和電網(wǎng)電壓對PID調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)行修正?？刂破鞯姆抡婺Ｐ腿鐖D5.3所示，其中PID的參數(shù)整定為：Kp=80，Ki=20，Kd=0。圖5.3圖5.3 數(shù)字PID控制器仿真模型無差拍控制無差拍控制是一種基于精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型的控制方式。根據(jù)逆變系統(tǒng)的狀態(tài)方程、電流反饋信號和下一周期的輸出量，計算出下一采樣周期的控制脈沖寬度。其特點是當(dāng)拍計算，當(dāng)拍輸出。由圖5.1所示的逆變控制系統(tǒng)模型可以得到逆變器輸出端的電壓方程為（1）對式（1）兩邊進(jìn)行離散化得（2）由于電容電流，因此可用參考電流代替，則下個采用周期的逆變輸出電壓平均值（3）由式（3）建立無差拍控制器的仿真模型如圖5.4所示。圖圖5.4 無差拍控制器仿真模型仿真研究與結(jié)果分析根據(jù)前文的分析與建模，建立如圖6.1所示的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，其中在光照強度在系統(tǒng)運行2s后由1000W/㎡變?yōu)?200W/㎡。仿真得到的波形如圖6.2~圖6.5所示。從圖6.2可知，采用電導(dǎo)增量法的MPPT控制，在光照發(fā)生變化時能較快地跟蹤功率的變化，找到最大功率點。同時，功率的振蕩幅度也較小。而三種逆變控制方法也能很好的抵抗直流端的擾動，并且輸出波形質(zhì)量較高的并網(wǎng)電流。三種逆變控制策略得到輸出電流的THD都在5%一下，滿足并網(wǎng)要求，其中無差拍控制的THD更是達(dá)到了0.53%。同時，出了數(shù)字PID控制由于積分環(huán)節(jié)的存在使得輸出波形在相位上與電網(wǎng)電壓存在很小的誤差，其他兩種控制方式的輸出電流都與電網(wǎng)電壓同頻同相。圖6.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型圖6.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型圖6.2光照變化時的MPPT控制效果圖6.3電流滯環(huán)比較控制的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓波形圖6.2光照變化時的MPPT控制效果圖6.3電流滯環(huán)比較控制的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓波形圖6.5無差拍控制的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓波形圖6.4數(shù)字PID控制的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓波形圖6.5無差拍控制的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓波形圖6.4數(shù)字PID控制的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓波形由比較仿真結(jié)果可以得出，在能準(zhǔn)確建立系統(tǒng)模型的條件下，無差拍控制的逆變控制效果最佳，總體諧波畸變率最低；其次是數(shù)字PID控制；而控制結(jié)構(gòu)簡單的電流滯環(huán)比較控制則更適合一些諧波要求較低的場合?？偨Y(jié)與展望本文通過在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下建立光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，對三種逆變器的控制策略進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明，三種逆變控制策略都能輸出滿足并網(wǎng)要求的并網(wǎng)電流。其中，無差拍控制的輸出波形質(zhì)量最佳。參考文獻(xiàn)耿乙文．一種改進(jìn)的PV-AF系統(tǒng)最大功率點跟蹤方法[J]．電測與儀表，2014，51（7）：45-50．楊勇，朱彬彬，趙方平，陶雪慧，曹文豐．一種電流預(yù)測控制的自適應(yīng)變步長最大功率跟蹤方法[J]．中國電機工程學(xué)報，2014，34（6）：855-862．鄭飛，丁明昌．基于模糊控制的光伏最大功率跟蹤器[J]．電氣自動化，2014，36（2）：48-50森，榮二，薛培鼎．LC濾波器設(shè)計與制作[M]．北京：科學(xué)出版社，2005：13-18．陳燕東，羅安，周樂明，謝寧，金國彬，呂志鵬．