單相光伏并網(wǎng)逆變器拓撲結構分析概述

1.1兩級式拓撲結構

并網(wǎng)逆變器按拓撲電路為單級式逆變器和多級式逆變器。單級式并網(wǎng)逆變器是將直流電壓升壓和輸出電流為正弦波的功能在逆變電路中實現(xiàn)。雙級式逆變器是最常見的多級式并網(wǎng)逆變器形式，因此，本文光伏發(fā)電系統(tǒng)最終選取雙級式拓撲結構進行研究，其結構圖如圖2-3所示。

圖2-3兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結構圖

雙級式逆變器中，升壓和隔離是在前級電路實現(xiàn)，在后級電路中完成逆變。與單級式相比，在兩級式結構中包含DC-DC轉換單元和DC-AC逆變單元。其中，前級的DC-DC轉換單元的主要作用是使光伏陣列實現(xiàn)對太陽能的最大利用，并為后級提供穩(wěn)定的直流電壓。后級的DC-AC逆變單元的主要作用是流電轉換成滿足并網(wǎng)需求的交流電，并在接入電網(wǎng)前通過濾波器過濾掉因采用調(diào)制解調(diào)技術而產(chǎn)生的高次諧波。

目前常用的DC-DC變換電路有降壓斬波電路(簡稱為Buck電路)、升壓斬波電路(簡稱為Boost電路)、升降壓斬波電路(簡稱為Buck-Boost電路)以及Cuk斬波電路等。DC-DC變換是將固定的直流電壓變成可變的、可供操作的直流電壓，DC-DC變換電路也稱為直流斬波電路。其原理是通過控制電力電子器件的導通與關斷，在負載上持續(xù)施加直流電壓，并通過改變其PWM進而改變輸出電壓的波形、范圍、以及平均值。通過DC-DC直流變換電路對整個光伏發(fā)電系統(tǒng)中的最大功率點進行追蹤。光伏系統(tǒng)DC-DC電路如圖2-4所示，它屬于Boost電路。

圖2-4光伏系統(tǒng)DC-DC電路

1.2光伏并網(wǎng)逆變器控制技術

SPWM調(diào)制被廣泛的用于逆變器的控制，它是通過改變占空比來控制電壓的技術。而并網(wǎng)逆變器控制技術是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分，目前對于并網(wǎng)逆變器控制有直接控制和間接控制，即電流型控制和電壓型控制模式。直接控制是以電流為控制對象，通過電流反饋閉環(huán)直接對并網(wǎng)電流的相位和幅值進行控制，因光伏逆變器對電網(wǎng)呈高阻抗特性，并網(wǎng)輸出電流受控，其受到電網(wǎng)電壓擾動的影響就較小。間接控制是將逆變器控制成為電壓源，根據(jù)逆變器的電壓與電流之間的關系，調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，達到逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相的目的。逆變器的控制方式主要有雙閉環(huán)控制、重復控制、滑模變結構控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制等，由于各種控制方式都會受到電網(wǎng)電壓和調(diào)制過程中電路工作特性的影響，在選擇控制方式時需綜合考慮控制效果及其實現(xiàn)的可能性。

（1）PID控制的基本原理

PID控制算法是目前工程應用上的經(jīng)典控制方法，是由系統(tǒng)偏差的比例-積分-微分線性組合構成的控制方法。其中，包括比例（P）、積分（I）、微分（D）三個環(huán)節(jié)。

1）比例控制（P）：是指控制器的輸出與輸入偏差信號成比例，其控制算法如公式2-1所示。

(2-1)

式中-偏差信號；-控制器輸出信號；-比例增益。比例控制實際上是一個可調(diào)增益的放大器，能夠迅速反應誤差從而減小誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，比例系數(shù)的增大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

2）積分控制（I）：

(2-2)

式中為積分增益，當有偏差信號時，則控制的輸出將不斷增加，直到偏差信號為0，積分控制作用可以消除靜差，但它有滯后現(xiàn)象，會使系統(tǒng)超調(diào)量加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩，必須與比例環(huán)節(jié)同時使用。

3）微分控制（D）：

(2-3)

式中為微分增益，微分控制中，控制器的輸出與輸入偏差信號的變化率成比例，它只在動態(tài)過程中有效，微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。且微分控制必須與其他控制結合使用。

（2）PID參數(shù)整定方法

1）自整法

模糊控制是基于專家知識或熟練操作者的成熟經(jīng)驗，并可通過學習不斷更新。因而它具有智能性和自學習性，是一種人工智能調(diào)節(jié)方式。PID參數(shù)的自整功能，模擬專家操作，自動尋優(yōu)，整定出最佳參數(shù)，使之達到理想的控制效果。而在使用調(diào)節(jié)器時，應首先啟動自整功能，看一看整定的結果和控制效果，這是一個向專家系統(tǒng)學習的過程。但自整定結果也不一定都是最佳參數(shù)，有時需要人工進一步尋優(yōu)。

2）逐試法

將PID參數(shù)之一增加或減少30%-50%，如果控制效果變好，則繼續(xù)增加或減少該參數(shù)，否則反之，直至滿足要求。

3）臨界值整定

①P-I調(diào)節(jié)

a.積分時間調(diào)至最大；

b.TD=0；

c.從一個較大的比例帶逐步降低，每降低一次等待一定時間，觀察記錄被控參數(shù)的記錄曲線變化，直至記錄到曲線出現(xiàn)周期性的振蕩變化，然后在此基礎上在加大比例帶，直至不出現(xiàn)振蕩；

d.減少積分時間，每減一次等待一定時間，觀察記錄曲線變化，當它低于過程中的滯后特性所決定的某個臨界值時，直至記錄到曲線出現(xiàn)周期性的振蕩變化，然后在此基礎上在緩慢加大積分時間，直至振蕩截止。

②P-I-D調(diào)節(jié)

a.積分時間調(diào)至最大；

b.微分時間調(diào)至最??；

c.同上（①P-I調(diào)節(jié)）的方法減小比例帶至出現(xiàn)周期振蕩；

d.加大微分時間，使周期性振蕩停止，在減小比例帶，使振蕩重新出現(xiàn)，在加大微分時間，使得振蕩停止，重復上述過程至加大微分時間后振蕩不再停止，然后在增大比例帶至周期振蕩停止。

e.取積分時間為微分時間的2-5倍，若出現(xiàn)周期性的振蕩，則加大積分時間直至停止振蕩。

4）經(jīng)驗整定

根據(jù)PID控制原理和系統(tǒng)的特性，結合自己的經(jīng)驗，直接設置PID參數(shù)，然后再根據(jù)控制效果做進一步的修改。當調(diào)節(jié)器輸出變化很小，而引起測量值（被控參量）變化較大時，應將比例帶置于較大的數(shù)值，反之亦然。當調(diào)節(jié)器輸出變化，很快引起被控參量的變化，則積分和微分時間的整定就應較小，對于快速的流量系統(tǒng)則可以不加入微分運算，反之亦然。

由于比例（P）增強系統(tǒng)的動態(tài)特性，積分（I）環(huán)節(jié)增強系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能可以實現(xiàn)直流信號的無穩(wěn)態(tài)誤差，PI控制器設計方法比較簡單、動態(tài)響應速度快、參數(shù)設計簡單及易于實現(xiàn)等，因此，本文選擇PI控制器進行逆變控制。在并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中多采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結構，以達到良好的特性。但是常規(guī)的PID控制也存在一定的問題，在系統(tǒng)功率器件開關速度較慢的情況下，電流內(nèi)環(huán)的響應速度慢，