基于级联逆变器的光伏并网发电系统控制策略

摘要：提出了基于混合控制的级联逆变器光伏并网发电系统的双级控制策略。通过控制电流瞬时值反馈滞环控制单元输入电压值为恒定，将输入电压控制和光伏系统并网电流控制解耦，简化了控制器设计。该双级控制策略可在进行最大功率点跟踪(MPPT)的同时保证并网电流质量。对该控制策略进行了分析，对瞬时值反馈单元双环控制器参数进行了设计。最后进行了实验，结果验证了所提出的控制方法的有效性。

关键词：逆变器；瞬时值电流反馈控制；光伏并网

1 引言

目前，传统单级式或多级式太阳能光伏并网系统结构存在的不足有：并网逆变器开关管工作频率相对较高，损耗较大；为了逆变器正常工作，光伏电池需串联到足够的电压等级，不仅使开关管电压应力高，而且系统的可靠性降低，系统抗电池局部阴影能力减弱；采用集中式MPPT，将严大型光伏并网系统，为提高系统的可靠性及效率，避免更多的太阳能光伏电池串联，文献提出了一种阶梯波与电流瞬时值反馈混合控制的级联逆变器来实现光伏并网发电。在此基础上，对基于混合控制的级联逆变器光伏发电系统控制策略进行了分析，对瞬时值反馈单元双环控制参数进行了设计，为基于混合控制级联逆变器的光伏系统的设计与实现提供了理论参考，并通过实验验证了理论分析的正确性。

2 光伏并网发电系统控制策略

2．1 控制系统结构

基于级联逆变器两级式光伏并网发电系统的拓扑结构如图1所示。图中前级是DC／DC双管交错式Boost电路，后级是由2H桥组成的级联逆变器。电路由N+M个2H桥单元级联而成。第1～N个2H桥为阶梯波控制，第N+1～N+M个2H桥单元为电流瞬时值反馈倍频移相SPWM控制或电流滞环跟踪控制。限于篇幅，此处仅对阶梯波与电流滞环混合控制系统进行分析。

图2为阶梯波与电流滞环跟踪混合控制框图。第1～N+1 DC／DC变换器单元将光伏电池阵列电压进行升压并完成对光伏电池的MPPT。第1～

N2H桥单元为梯形波控制，第N+1个2H桥单元为电压电流双环控制，电流内环为滞环控制。锁相环(PLL)使并网电流iL与电网电压ug同相位，PLL电路给出的参考基准乘以电压外环的输出，即为电流内环的输入参考电流。该电流与iL比较的误差信号通过电流放大器放大后经滞环控制，产生第N+1 2H桥单元控制信号。第N+1 2H桥单元输出电压us(N+1)应与第1～N 2H桥单元输出的阶梯波电压同相，通过PLL，DSP计算出导通脉冲，使前N～1个逆变器单元的输出电压宽度分别为(θN～π-θN)，(θN-1～π-θN-1)，…，(θ1～π-θ1)，即工作在不同的模式。

2．2 级联逆变器单元的控制策略

图2中，计算出直流母线电压参考值与采样得到的实际电压值误差，再通过一个比例积分环节得到DC／AC逆变器输出电流的幅值指令Iref，然后将Iref与电网电压同步的单位正弦信号sin(ωt)相乘得到输出电流指令值Irefsin(ωt)，再将Irefsin(ωt)与采样值的误差通过电流调节器后，经滞环比较后通过驱动电路去控制第N+1 2H桥单元DC／AC逆变器的开关管。

当ug与iL同相时，逆变器输出电压在相位上超前于ug。故第1～N2H桥单元输出的阶梯波电压应与瞬时值反馈控制的2H桥单元的输出电压us(N+1)同相，通过PLL给出与us(N+1)同相的阶梯波基波电压，然后由DSP实时采样第1～N2H桥单元直流母线电压，计算出各2H桥单元导通脉冲。

3 瞬时值反馈单元双环控制分析

3．1 瞬时值反馈级联逆变器单元电流内环设计

电流内环采用三态DPM电流滞环控制，控制框图如图3所示。

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按I型系统设计电流调节器。除考虑电流内环快速跟踪性能，对于并网逆变器双环控制系统，电流内环带宽至少为电压环带宽的5～10倍。当输出电感为25 mH，电感等效电阻取为0．4 Ω时，Ts取0．1 ms时，ki取16。采用单P环直接电流控制的电流内环频率响应和阶跃响应如图4所示。

由图4a可见，电流闭环带宽大于基波频率的10倍，对于基波电流跟踪稳态精度高；由图4b可见，电流闭环响应速度很快，不到1 ms。对于电压外环而言，电流内环可等效为一受控电流源，其传递函数可表示为图3b。

3．2 瞬时值反馈级联逆变器单元电压外环设计

设瞬时值反馈单元直流输入功率为级联逆变器总的输出功率，即馈入电网功率的λ(λ<1)倍，忽略逆变器的损耗，认为逆变器直流输入功率等于输出功率，即：。

图5为电压外环控制框图。

图中一阶低通滤波器GLPF用来滤除直流侧电容电压中的谐波成分，使其不参与反馈。PI调节器设为：Gv=Kpv(τpvs+1)／s，低通滤波器设为：GLPF=1／(TLPFs+1)，则电压开环传递函数为：

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将逆变器设计为典型的Ⅱ型系统：取TLPF=T2=10ms，λ=0．435，Udc(N+1)=160V，kif=0．2，CN+1=5600μF，则有Kd≈0.42，Kpv≈3.2，PI调节器的比例系数为0．16。将设计出的参数代入式(3)，可得电压外环的频率响应及阶跃响应如图6所示。由图6a可见，系统可等效为一截止频率为18．8 Hz(闭环带宽)的低通滤波器，能很好地抑制母线电压谐波分量，保证了稳态输入电流质量。由图6b的母线电压单位阶跃响应可知，电压调节时间约为80ms。

4 实验结果

设计了基于3个2H桥单元构成的级联逆变器的单相10 kWp光伏并网发电系统。前两个2H桥单元为梯形波控制，在标准光照和环境温度下，逆变单元输入直流母线电压分别为80 V，160 V，第3个2H桥单元为三态DPM电流滞环跟踪控制，输入直流电压为160 V。并网电流滤波电感L=2．5 mH。图7为基于级联逆变器的光伏并网系统电流闭环控制实验结果。由图可见，并网电流与电网电压同相位。在光照强度发生变化时，并网电流幅值指令发生变化。图7a，b分别为电流幅值指令为40 A和60 A时实验波形，相应并网功率分别为6．22 kW，9．33 kW。即随着光照强度增强，并网电流和功率增加，实现了对光伏输出功率点跟踪。

5 结论

这里提出了通过控制级联逆变器输入直流母线电压值为恒定，来实现输入电压控制(功率控制环)和光伏系统并网电流控制(电能质量控制环)的解耦的控制方法，通过仿真及实验进行了验证，其结果与理论分析一致。系统实现了对光伏输出的最大功率点跟踪，验证了所提控制方法的有效性。