一種簡易的單相兩級式光伏并網(wǎng)逆變器控制設計

單相兩級式光伏并網(wǎng)逆變器與單級式相比，雖然結構復雜，但前、后級可分開控制，控制方法較簡單。而且前級DC/DC變換器選用不同的拓撲結構可滿足不同的太陽能電池輸入電壓，應用起來比較靈活。對于單相兩級式光伏逆變器，除了要實現(xiàn)MPPT和并網(wǎng)逆變外，還必須將連接前后級的母線電容電壓控制在一定范圍內。電壓太低滿足不了并網(wǎng)逆變要求，電壓高則母線電容耐壓也高，體積大。若控制不當，母線電容將一直升高到高出電容耐壓，導致“母線電容崩潰”。

1、 雙PI環(huán)控制

單相兩級式光伏并網(wǎng)逆變器通常前級采用MPPT控制，后級采用電流內環(huán)、母線電壓外環(huán)的雙環(huán)PI環(huán)控制，其典型控制簡圖如圖1所示。其中電流內環(huán)控制框圖如圖2所示。

圖1 典型的控制簡圖

圖2 電流內環(huán)控制圖

并網(wǎng)電流ig與參考電流igref的誤差經(jīng)調節(jié)后與高頻三角載波交截，得到驅動信號驅動逆變橋，實現(xiàn)電流跟蹤。GiPI(s)為PI環(huán)節(jié)傳遞函數(shù);KPWM/(0.5sTs+1)為采用PWM控制的逆變橋傳遞函數(shù)，可等效為慣性環(huán)節(jié)，KPWM為PWM及主電路增益;1/(sTs+1)為采樣延時和PWM控制滯后的小慣性環(huán)節(jié)。

將采樣延時環(huán)節(jié)和PWM裝置延時環(huán)節(jié)合并，由于開關頻率較高，合并后s2的系數(shù)遠小于s的系數(shù)，可以將該項忽略，簡化為一階慣性環(huán)節(jié)：1/(1.5sTs+1)。

等效電壓外環(huán)控制框圖如圖3所示，Udc為直流母線電壓;GuPI(s)為PI環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù);1/(Cs)為濾波電容的傳遞函數(shù);Gi(s)為電流內環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

圖3 等效電壓外環(huán)控制框圖

根據(jù)以上電流環(huán)的設計，可得簡化等效閉環(huán)傳遞函數(shù)為：Gi(s)=1/(1+3sTs);同樣將采樣延時和電流環(huán)傳遞函數(shù)合并等效為：1/(1+4s Ts)。 2、雙PI控制的補償和改進

單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和電流均為工頻正弦變量，其輸出有功功率表現(xiàn)為2倍工頻的正弦變量，這樣實際母線電容就有相同頻率的紋波電壓。因此母線電壓控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生的參考電流幅值就不是一個標準的直流變量，也含有2倍頻交變分量，電流基準給定信號就不是標準的正弦波，因此會導致實際并網(wǎng)電流波形THD升高。

另一方面，市電電網(wǎng)電壓包含大量的低次和高次諧波，實際用電負荷的突變還會導致電網(wǎng)電壓隨機波動。電流環(huán)中沒有考慮到電網(wǎng)電壓ug對電流波形的影響。

設igref與ig的誤差信號為ie，則ie=igref-ig，差分方程為：die/dt=digref/dt-dig/dt。若不考慮開關頻率諧波分量的影響，有：

Lfdig/dt=uAB1-ug (1)

式中：Lf為輸出濾波電感；uAB1為橋臂輸出側基波分量。

設ie接近零，可得die/dt=digref/dt-(uAB1-ug)/Lf=0。根據(jù)逆變器調制原理可得：

uAB1=Udcum/Utri (2)

式中：um為逆變器正弦調制信號;Utri為三角載波幅值。

整理可得：

um=Lf(Utri/Uref)d[(Uref/Udc)igref]/dt+(Utri/Udc)ug (3)

(Uref/Udc)igref說明母線電壓的紋波影響并網(wǎng)電流，(Utri/Udc)ug說明電網(wǎng)電壓對電流控制也有影響。所以單純采用雙PI控制在實際電路中很難滿足并網(wǎng)逆變器THD<5%的要求。根據(jù)式(3)可知，若增加Udc/Uref乘以電網(wǎng)電壓作為前饋補償，就可消除電網(wǎng)電壓對并網(wǎng)電流的影響。

3、電壓外環(huán)PR調節(jié)

單純采用雙PI控制時，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)性能，電壓環(huán)環(huán)寬一般都設為200～500 Hz，即使加入母線紋波補償，也無法完全抑制100 Hz紋波對并網(wǎng)電流的影響。若采用PR調節(jié)器作為電壓外環(huán)調節(jié)器，則可很好地抑制母線紋波對并網(wǎng)電流的影響，同時可保證系統(tǒng)動態(tài)系能，即有：

Gc(s)=Kp+Kr(s2+ω2)/[s2+(ω/Q)s+ω2] (4)

4、單相兩級式光伏并網(wǎng)逆變器控制策略

一般單相兩級式光伏并網(wǎng)逆變器采用前后級分開控制的方法，當系統(tǒng)功率隨著MPPT控制不斷變化時，首先體現(xiàn)為母線電容的電壓變化然后通過后級控制改變并網(wǎng)電流。

下面提出一種新的系統(tǒng)控制策略，其核心思想是根據(jù)前級MPPT的功率先預置一個逆變的參考電流幅值，然后經(jīng)一個比例控制器確定最終的逆變參考電流。這個比例控制器是母線采樣電壓與參考電壓(一般380V)的比值。這樣當前級MPPT調節(jié)功率變化時，可直接體現(xiàn)為后級參考電流的變化，并通過母線電壓的比例控制器將母線電壓穩(wěn)定在參考值附近。

不考慮紋波，若母線電壓均值大于或小于參考值，則會相應調高或降低逆變的參考電流，使母線電容進行相應的充放電，母線電壓保持在參考電壓附近，以保證前后級功率平衡，起到穩(wěn)壓作用。對于母線紋波，通過母線電壓控制器，不僅穩(wěn)住母線電壓，而且抑制了母線紋波對并網(wǎng)電流的影響，還使后級實現(xiàn)了單電流環(huán)控制，控制更簡單。其控制原理如圖4所示。

圖4 新控制法控制框圖 5、 Saber仿真驗證

在Saber中搭建如圖1的仿真模型，母線參考電壓380 V，系統(tǒng)工作在額定功率3 kW，前級采用導納增量法實現(xiàn)MPPT并升壓。

Boost輸出電壓(母線電壓)一直穩(wěn)定在380V附近，采用雙PI控制方法時的波形如圖5a所示。由圖可見，母線電壓存在100 Hz的脈動紋波;單純的雙PI控制逆變并網(wǎng)電流波形存在明顯畸變，THD=4.63%。當系統(tǒng)功率變化時，0.45 s開始功率從3 kW變化到0.5 s時的1.9 kW，母線電壓和并網(wǎng)電流波形如圖5b所示?？梢?，母線電壓穩(wěn)定在380 V附近，有100Hz的脈動紋波。并網(wǎng)電流不是很理想，當功率從3 kW變化到1.7 kW時，母線電壓有一個先減小然后增加的調節(jié)過程。

將電壓外環(huán)PI改為按照式(4)取值的PR調節(jié)器，電壓和輸出電流波形如圖5c所示，可見，采用PR控制輸出并網(wǎng)電流波形沒有明顯畸變，THD=1.22%。PR控制功率變化時母線電壓和并網(wǎng)電流波形如圖5d所示，可見，電壓外環(huán)采用PR調節(jié)時，系統(tǒng)的動態(tài)調節(jié)更快。當功率變化時，雙PI控制大概在10個電網(wǎng)周期才能過渡到一個穩(wěn)態(tài)；而電壓外環(huán)PR調節(jié)可使母線電壓和并網(wǎng)電流平滑過渡，只需2個周期即可進入下一個穩(wěn)態(tài)。

圖5 仿真波形

由圖4搭建仿真模型，3 kW時母線電壓和并網(wǎng)電流波形如圖5e所示?？梢?，采用新控制方法可保證母線電容穩(wěn)壓和很好的并網(wǎng)電流，THD只有0.8%。新控制方法下功率變化時母線電壓和并網(wǎng)電流波形如5f所示，對比可見，在前級功率變化時，新控制方法和雙PI控制系統(tǒng)動態(tài)性能更好。新控制方法中，系統(tǒng)功率變化時，電流和母線電壓過渡更加平穩(wěn)，同時能保證高質量的輸出電流。 6、實驗驗證

H橋采用光伏專用模塊FZ06BLA045FH-P897E，二極管采用SiC肖特基二極管，其快恢復性能好，可顯著降低開關損耗和電磁干擾?？刂撇?/p>

用DSP2808芯片。采用圖4中的控制方法，非隔離并網(wǎng)，濾波電感3 mH，實驗波形如圖6所示。

圖6 實驗波形

可見，并網(wǎng)電流波形質量隨著功率增加越來越好，測量半載1.5 kW時并網(wǎng)電流THD≈1%。

7、結論

對單相兩級式光伏并網(wǎng)逆變器進行建模，通過理論分析和仿真可知，傳統(tǒng)的母線電壓外環(huán)、電流內環(huán)控制為兼顧并網(wǎng)電流質量和系統(tǒng)動態(tài)性能，必須在后級電流環(huán)中加入母線電壓紋波補償和電網(wǎng)電壓抑制補償環(huán)節(jié)。若在電壓環(huán)中采用比例諧振調節(jié)器控制，將諧振點設置在100 Hz左右，可以抑制母線紋波電壓對并網(wǎng)電流的影響，同時保證系統(tǒng)動態(tài)性能。

提出一種基于功率平衡原理的控制方法，將一個比例控制器作為母線電壓調節(jié)器加入后級逆變環(huán)路中，使后級可采用簡單的電流環(huán)控制，在母線電容穩(wěn)壓的同時消除了紋波電壓對并網(wǎng)電流的影響。傳統(tǒng)的雙環(huán)控制前后級分開獨立，這樣前級功率變化時，首先體現(xiàn)為母線電壓變化，然后并網(wǎng)電流跟隨母線電壓變化，新控制方法中，前級功率變化時直接作用到后級電流控制中，系統(tǒng)動態(tài)響應更快。仿真和實驗驗證了該方法的可行性。