光伏并網(wǎng)變流器系統(tǒng)控制策略案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u25261光伏并網(wǎng)變流器系統(tǒng)控制策略案例分析 1190571.1控制系統(tǒng)的分類 1204281.2控制器的數(shù)學(xué)模型 3220111.3電壓電流雙閉環(huán)控制 5235811.4逆變控制策略 61.1控制系統(tǒng)的分類（1）光伏并網(wǎng)發(fā)電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有以下幾種單級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)溥@種逆變器要求在某個(gè)功率變換步驟達(dá)成電壓增加、MPPT追蹤、逆變和光伏電電池與電網(wǎng)間的電隔離。圖1.1單級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)洌?）兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)渫ǔ０ㄜ涢_關(guān)變換步驟與自換相或電網(wǎng)換相的dc/ac變換步驟REF_Ref28273\r\h[22]。圖1.2兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)洮F(xiàn)階段,我國(guó)對(duì)并網(wǎng)型逆變器的分析重點(diǎn)聚焦于與兩級(jí)的能量變化結(jié)構(gòu)上。其中重點(diǎn)是達(dá)成最大功率追蹤,而逆變就是為了電網(wǎng)電壓與輸出電流相位一致。因?yàn)樽儞Q步驟與逆變步驟擁有其自己的控制目的與方法,兩部分能分開開發(fā),系統(tǒng)前后級(jí)間的禍合比較寬松,所以系統(tǒng)的管理步驟極易開發(fā)與達(dá)成，因?yàn)閱为?dú)設(shè)立了一級(jí)最大功率追蹤步驟,這就好比是安排了電壓和調(diào)整步驟,系統(tǒng)能擁有相對(duì)更大的輸入空間,最大功率追蹤步驟的安排能讓逆變步驟的輸入基本穩(wěn)定,同時(shí)輸入的電壓更高,如此都能協(xié)助提升逆變步驟的轉(zhuǎn)換效率REF_Ref28675\r\h[23]。但是,系統(tǒng)擁有兩個(gè)獨(dú)立的能量轉(zhuǎn)變步驟,該系統(tǒng)的效率不高、重量大、開支大。鑒于上述要素的影響，本研究開發(fā)出了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)用單級(jí)并網(wǎng)型逆變器,此設(shè)備可利用一級(jí)能量變換達(dá)成最大功率追蹤與并網(wǎng)逆變兩個(gè)作用,如此可節(jié)約系統(tǒng)的工作時(shí)間、使系統(tǒng)的空間與重量變小，同時(shí)還能減少系統(tǒng)的成本,進(jìn)而能降低并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的成本,能協(xié)助并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的普遍使用。然而在管理時(shí)不僅應(yīng)兼顧追蹤太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn),還應(yīng)共同確保對(duì)電網(wǎng)輸出電流滿足電網(wǎng)規(guī)定,讓控制系統(tǒng)變得更為繁雜，在單級(jí)式并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi),通常使用雙閉環(huán)。外環(huán)控制輸入,使得光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可以在最大功率點(diǎn)處運(yùn)行,從而達(dá)到最大功率輸出。內(nèi)環(huán)控制可使用對(duì)管理實(shí)時(shí)性標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格的單周期管理。外環(huán)是系統(tǒng)管控的重點(diǎn)，因?yàn)閱渭?jí)式光伏并網(wǎng)逆變器只添加了一個(gè)能量升級(jí)設(shè)備,所以系統(tǒng)的組成并不復(fù)雜,效率不錯(cuò)、特性穩(wěn)固。然而在管理時(shí)不僅應(yīng)兼顧追蹤太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn),還必須保證對(duì)電網(wǎng)輸出電流滿足電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。因?yàn)榇箅姼械某霈F(xiàn),使直流回路電流變得更加穩(wěn)定,在開關(guān)逆變器的情況下,如果不能保證逆變器輸入電流的平穩(wěn),將極易對(duì)逆變器的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)影響,但是電壓型逆變器則不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題,因此,現(xiàn)階段的中、小功率變頻器基本上都使用電壓型逆變器。目前,光伏并網(wǎng)逆變器均是使用電壓源逆變電路。對(duì)逆變器的管控有電壓型控制方法和電流型控制方法兩種。前者的焦點(diǎn)是管理輸出電壓。后者主要是對(duì)生成的電感電流進(jìn)行管控。輸出電流是被管理的內(nèi)容,對(duì)電網(wǎng)而言,并網(wǎng)逆變器有高阻抗的特點(diǎn),所以在電網(wǎng)電壓被影響或產(chǎn)生不對(duì)稱的情況時(shí),逆變器受到電壓的干預(yù)不會(huì)很大。所以,本研究使用電流控電壓型逆變器進(jìn)行并網(wǎng)操作REF_Ref28953\r\h[24]。下圖1.3為單級(jí)電壓型并網(wǎng)逆變模式,交流側(cè)采用L型濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖1.3三相橋式逆變器在逆變結(jié)束之后選擇用L型電感進(jìn)行濾波，如圖1.4。圖1.4L型濾波器L型濾波器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是諧波的衰減速度小，所以使用相對(duì)較大的濾波電感。過(guò)濾器電感大的話，過(guò)濾器的體積就會(huì)變大，成本上升，損失也會(huì)變高，對(duì)功率因數(shù)也有較大的影響。LC型濾波器是二階慣性環(huán)，經(jīng)常用于獨(dú)立/網(wǎng)絡(luò)雙模光伏系統(tǒng)。在并行網(wǎng)絡(luò)模式下運(yùn)行時(shí)，LC型濾波器的濾波特性與L型濾波器效果相同，但由于存在支持容量（并行網(wǎng)絡(luò)模式下相當(dāng)于負(fù)載），所以設(shè)計(jì)比L型更困難。在獨(dú)立模式下操作時(shí)，LC型濾波器可以有效地濾波電流，高階諧波LC型濾波導(dǎo)致系統(tǒng)的諧振，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性REF_Ref9603\r\h[25]。1.2控制器的數(shù)學(xué)模型（1）直流側(cè)分析首先，列些直流側(cè)電流方程： CdudtSk為開關(guān)函數(shù)，角頻率為ω、相角為α、幅值為m，其中的基波分量S1a， S1a=m S1b=m S1c=m設(shè)電網(wǎng)相電壓與并網(wǎng)相電流間的相角為θ，那么 Ia= Ib= Ic=式中：ImI（1.8）（2）交流并網(wǎng)側(cè)分析選取電感電流ia，ib，ic C1dUdcdt= L1dI1kdt= uck= kuk0=skskUdcId是指光伏并網(wǎng)逆變器直流端輸入電流REF_Ref30592\r\h[26]。為了分析，這里我們使用的是park變換來(lái)對(duì)三相電壓電流進(jìn)行處理。設(shè)系統(tǒng)三相電壓如下式所示。 ua=umcos ub=umcos(ωt- ub=umcos(ωt+系統(tǒng)三相電壓在三相靜止坐標(biāo)系與dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的關(guān)系見(jiàn)下圖。圖1.4一般來(lái)說(shuō)，在abc三相電壓中，a相相位在b相120度的前面，同時(shí)還在c相240度之前。 uα=umcos uβ=umcos(ωt-π結(jié)合式（1）和式（2）可得 uα=umcosωuβ=umcos(ωt-3π2)=u（1.19）uc=umcos(ωt+3（1.20）則式（3）至式（5）的關(guān)系可得到Clark變換為： uaubu將dq軸電壓向αβ坐標(biāo)軸投影，可得Clark反變換為： uαuβ=1.3電壓電流雙閉環(huán)控制電流內(nèi)環(huán)主要是采用PI控制方式比例調(diào)節(jié)效果：根據(jù)比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差,系統(tǒng)只要產(chǎn)生了偏差,比例調(diào)節(jié)將馬上自我改變以此減少誤差。比例效果大,能進(jìn)一步調(diào)節(jié),降低誤差,但是要選取合適的比例，否則還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的波動(dòng)REF_Ref30928\r\h[27]。積分調(diào)節(jié)效果：目的就是為系統(tǒng)提升精準(zhǔn)性。由于有誤差,將實(shí)施積分調(diào)節(jié),最終到?jīng)]有誤差,當(dāng)積分調(diào)節(jié)中止的時(shí)候,積分調(diào)節(jié)導(dǎo)出一個(gè)常值。時(shí)間常數(shù)Ti來(lái)決定積分的功能情況。Ti與積分效果之間為反比例關(guān)系。相反，Ti大就說(shuō)明積分效果不佳,在系統(tǒng)中增加積分調(diào)節(jié)會(huì)讓系統(tǒng)的穩(wěn)定性下滑REF_Ref31216\r\h[28]。積分效果往往和另兩類調(diào)節(jié)原理相互融合,構(gòu)成了調(diào)節(jié)器。一般而言，PI控制器相關(guān)修正步驟的效果包括：第一，偏差只要出現(xiàn)，控制器會(huì)馬上進(jìn)行控制，旨在使偏差變小。一般在數(shù)字持續(xù)變大后，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量將變大，系統(tǒng)響應(yīng)變得更為迅速，然而在增加至某種程度時(shí)，系統(tǒng)將持續(xù)波動(dòng)。第二，積分步驟。重點(diǎn)使用在去除靜差，提升系統(tǒng)的無(wú)差度（型別）。積分效果的如何需要看積分常數(shù)，積分常數(shù)與積分功能間為正相關(guān)性。總的來(lái)說(shuō)，在控制工程實(shí)踐中，PI控制器主要是用來(lái)改善控制系統(tǒng)的\t"/item/pi%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%99%A8/_blank"穩(wěn)態(tài)性能REF_Ref31451\r\h[29]?；赑I控制器的基本原理搭建光伏系統(tǒng)的模型，見(jiàn)下圖為電流內(nèi)環(huán)控制圖1.5閉環(huán)控制系統(tǒng)1.4逆變控制策略離散函數(shù)足夠密集是可以近似成為一個(gè)連續(xù)函數(shù)的，因此我們可以用多個(gè)矩形脈沖波來(lái)代替正弦波，如果在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)矩形波的大小和正弦波的大小沒(méi)有很大的不同，那么這一系列矩形波構(gòu)成的面積就與正弦波的面積一樣。其中會(huì)有一個(gè)問(wèn)題，就是不會(huì)有百分之百的等效，所以為了無(wú)限接近等效，矩形波的數(shù)量自然是越多越好，但是矩形波的數(shù)量和開關(guān)頻率有著密不可分的關(guān)系REF_Ref5576\r\h[30]。（1）等面積法此措施即對(duì)SPWM法的陳述，該措施是將SPWM管理的主要原理當(dāng)做立足點(diǎn),能較好地核算每個(gè)開關(guān)的閉合、打開時(shí)間,其所獲得的波形與正弦波特別靠近,然而其具有計(jì)算繁雜,信息占用空間大,無(wú)法及時(shí)管控的不足。（2）硬件調(diào)制法這種方法法是為處理等面積法計(jì)算太麻煩的問(wèn)題所給出的,作用機(jī)制是將目標(biāo)波形視為調(diào)制信號(hào),被調(diào)制的信號(hào)為載波，通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制得到相應(yīng)的PWM波形。使用等腰三角波當(dāng)做載波，在調(diào)制信號(hào)波是正弦波時(shí)，所獲得的便是SPWM波形。而措施簡(jiǎn)潔，能以模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波產(chǎn)生電路，以比較器來(lái)界定其交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)對(duì)開關(guān)的閉合與通行加以管理，將能導(dǎo)出SPWM波。然而，此類模擬電路特別不簡(jiǎn)單，無(wú)法達(dá)成精準(zhǔn)地管控。因?yàn)榈让娣e法無(wú)法立即管控，所以我