簡單易學的單相兩級式光伏并網(wǎng)逆變器控制策略

單相兩級式光伏并網(wǎng)逆變器與單級式相比，雖然結(jié)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(jié)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(nèi)。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”。

2 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(nèi)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(nèi)環(huán)控制框圖如圖2所示。

并網(wǎng)電流ig與參考電流igref的誤差經(jīng)調(diào)節(jié)后與高頻三角載波交截，得到驅(qū)動信號驅(qū)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(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

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)。 3 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(cè)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(diào)制原理可得：

uAB1=Udcum/Utri (2)

式中：um為逆變器正弦調(diào)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THD5%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。

4 電壓外環(huán)PR調(diào)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(diào)節(jié)器作為電壓外環(huán)調(diào)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)