光伏并網(wǎng)逆變器的三環(huán)控制策略研究

1、第 38卷 第 19期 電 力 系 統(tǒng) 保 護(hù) 與 控 制 Vol.38 No.19 2010年 10月 1日 Power System Protection and Control Oct. 1, 2010 光伏并網(wǎng)逆變器的三環(huán)控制策略研究李 明,易靈芝,彭寒梅,鄧 棟,姚哲之(湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院,湖南 湘潭 410005摘要:在光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中,常用的雙閉環(huán)電流控制會導(dǎo)致系統(tǒng)存在動態(tài)響應(yīng)速度慢或開關(guān)頻率不穩(wěn)定的缺陷。鑒于此, 提出一種電壓外環(huán), 電流內(nèi)環(huán), 頻率中間環(huán)的三環(huán)控制方法。 通過對整個逆變系統(tǒng)進(jìn)行深入的理論分析, 利用 Matlab/Simulink搭建仿真模塊進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),

2、并搭建 1 kW的實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,三環(huán)控制下的逆變系統(tǒng)簡化了濾波 器設(shè)計(jì),保證了逆變器輸出電流波形質(zhì)量,使其只含有少量的高次諧波,使系統(tǒng)的輸出電流和電網(wǎng)電壓同頻同向,并網(wǎng)的功 率因數(shù)接近于 1。關(guān)鍵詞:三環(huán)控制;滯環(huán);光伏;并網(wǎng)逆變器Research of three-loop control methodof photovoltaic grid-connected inverterLI Ming, YI Ling-zhi, PENG Han-mei, DENG Dong, YAO Zhe-zhi(College of Information Engineering, X

3、iangtan University, Xiangtan 410005, China Abstract :In photovoltaic grid-connected inverter system, traditional double-closed loop control method can result in the system dynamic response speed slow and switching frequency instable. Aiming at that, this paper presents a three-loop control method, i

4、ncluding voltage external loop, frequency middle loop and current inner loop. The total inverter system is deeply analyzed, simulated module is constructed by using Matlab/Simulink to make simulation experiment, and 1 kW test platform is established to do experiment analysis. The results show that t

5、he inverter system controlled by three-loop simplifies the design of filter and guarantees the waveform quality of the output current, which make it contain few high-order harmonics, the system output current and grid voltage have the same frequency and direction, and the power factor after intercon

6、nection close to 1.This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 50977080.Key words:three-loop control; hysteresis band; PV ; grid-connected inverter中圖分類號: TM619 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號: 1674-3415(201019-0046-050 引言能源短缺是當(dāng)今世界面臨的重大問題,研究開 發(fā)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)具有重要意義,而太陽能以 其可再生性和無污染性,已經(jīng)成為人類利用自然能

7、 源的新焦點(diǎn) 1-2。作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 并網(wǎng)逆變器及其控制技術(shù)越來越受到關(guān)注。逆變器 并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行的主要控制問題是逆變器輸出正弦波 電流(即并網(wǎng)電流控制技術(shù),要求并網(wǎng)電流能實(shí) 時跟蹤電網(wǎng)電壓頻率、 相位和并網(wǎng)容量給定的變化, 且電流的總畸變失真要低,以減小對電網(wǎng)的諧波影項(xiàng)目基金:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50977080 ;教育 部教育研究課題 (2009-ZX-052 ; 湖南省第二屆大學(xué)生研究 性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目 響。目前比較常用的電流控制方式有 SPWM 電流 控制 3、滯環(huán)電流控制 4-5、三角波電流控制 6、空 間矢量控制 7。其中滯環(huán)控制是一種閉環(huán)電流跟蹤 控

8、制方法, 它具有動態(tài)響應(yīng)速度快、 峰值自動限制、 不依賴負(fù)載參數(shù)和無條件穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),因此獲得廣 泛的應(yīng)用和發(fā)展。但滯環(huán)電流控制也存在開關(guān)頻率 不固定的缺點(diǎn),使得逆變橋輸出頻譜分布廣泛,并 網(wǎng)濾波器設(shè)計(jì)很困難。 本文提出一種三環(huán)控制策略, 實(shí)質(zhì)上就是一種準(zhǔn)恒頻電流滯環(huán)控制,它在傳統(tǒng)的 電壓電流雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上加上一頻率閉環(huán),通 過一模擬開關(guān)使開關(guān)頻率穩(wěn)定在一固定值,簡化濾 波器的設(shè)計(jì)難度,不會影響到常規(guī)的最大功率跟蹤 (MPPT 及功率開關(guān)管的控制,從而提高并網(wǎng)逆 變系統(tǒng)的性能和效率。李 明,等 光伏并網(wǎng)逆變器的三環(huán)控制策略研究 - 47 -1 光伏并網(wǎng)逆變器電流滯環(huán)控制原理1.1 傳統(tǒng)逆變器

9、并網(wǎng)系統(tǒng)圖 1所示為單相逆變器并網(wǎng)原理圖。 直流源 DC 可為太陽能電池組件,逆變器負(fù)載為公共交流電網(wǎng) (220 V/50 Hz ,電感電流 L i 即為并網(wǎng)電流 i(AB s 1d i u e t L= (1式中:AB u 為逆變器輸出電壓; s e 為電網(wǎng)電壓。 圖 1 傳統(tǒng)單相并網(wǎng)逆變器原理圖 Fig.1 Grid-connected single-phase inverter在并網(wǎng)系統(tǒng)中,因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓是固定的,所以 可控制量只有并網(wǎng)電流。滯環(huán)控制應(yīng)用于控制逆變 器并網(wǎng)電流,易于實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)電壓頻率和相位的實(shí) 時跟蹤,響應(yīng)迅速且穩(wěn)定性好。采用滯環(huán)調(diào)制策略 的控制系統(tǒng)如圖 2,有相位檢測環(huán)節(jié)

10、得到的同步信 號與并網(wǎng)電流幅值給定一起送正弦波發(fā)生器,生成 與電網(wǎng)電壓同頻同相的參考電流信號 *i ,在經(jīng)滯環(huán) 比較器對并網(wǎng)電流反饋信號 i 與 *i 偏差進(jìn)行調(diào)制得 到開關(guān)管控制信號。 圖 2 傳統(tǒng)并網(wǎng)系統(tǒng)控制原理圖Fig.2 Traditional control schematic of grid-connected inverter1.2 滯環(huán)電流控制原理圖 3是滯環(huán)電流控制原理圖, *i 是電網(wǎng)電壓同 步的參考電流, i 是逆變器送入到電網(wǎng)中的實(shí)際電 流, h 是滯環(huán)比較器的半環(huán)寬。 其工作原理為:將 *i與 i 相比較,把差值 *i i 送入到置換比較器。當(dāng)*|i i h 時改變功

11、率開關(guān)的狀態(tài)。當(dāng) *i 處于正半周期, 假設(shè) S1、 S4導(dǎo)通, 則 dc AB 2U u =, 將 dc s2Ue (s e 為電網(wǎng)電壓, 如圖 1 加在電感 L 上, 通過 L 上的電流 i 增大, 直到 *i i h 時開關(guān)狀態(tài)改變, S2、S3導(dǎo)通,則 dc AB 2U u =,將 dc s 2Ue 加在電感 L ,通過 L 上的電流 i 減小,直到 *i i h 時,開 關(guān)狀態(tài)再次改變, 如此反復(fù), 送入到電網(wǎng)的電流 i 以 2h 的環(huán)寬跟蹤指令電流 *i 。02040-20-40-603i /At /msi *+hi *ii *h圖 3 滯環(huán)電流控制原理圖Fig.3 Princip

12、le of hysteresis current control2 三環(huán)控制并網(wǎng)逆變器建模三環(huán)控制的原理實(shí)質(zhì)上就是在傳統(tǒng)的電壓電流 雙閉環(huán)的基礎(chǔ)上增加了一頻率閉環(huán),即電壓外環(huán)、 電流中間環(huán)、頻率內(nèi)環(huán),其控制的核心仍然是并網(wǎng) 電流的滯環(huán)控制,利用電壓外環(huán)跟蹤電網(wǎng)電壓的相 位,提供給指令電流;利用頻率環(huán)控制滯環(huán)的寬度 變化,從而使功率開關(guān)基本上維持恒定,簡化并網(wǎng) 側(cè)濾波器的設(shè)計(jì)難度,最終提高并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的性 能。從圖 1中不難分析逆變橋路輸出電壓為AB s d d iu Ri Le t=+ (2 從圖 4可以看出,逆變橋路輸出電壓波形為一 周期為 s T 、幅值為 dc 2U ±的 PW

13、M 方波序列,在 一個開關(guān)周期中, 幅值為 dc 2U 的時間為 p T , 幅值 為 dc 2U 的時間為 n T 。瞬時電流誤差為*i i = (3令參考電壓為 *u ,則*s d d i u Ri L e t=+ (4由式(2 (4可推導(dǎo)出*AB d d LR u u t+= (5 滯環(huán)電流控制的目的就是要將電流誤差控制 在 2h 以內(nèi)(后文中用 H 表示 2h 。在一般情況下, 忽略逆變器交流側(cè)的電阻 R ,且當(dāng)開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于 電網(wǎng)頻率時,可以近似認(rèn)為一個開關(guān)周期中電網(wǎng)電 動勢 s e 恒定不變,這樣電流誤差 按線性規(guī)律變化- 48 - 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制(如圖 4所示 。 圖 4 滯

14、環(huán)控制的波形圖Fig.4 The waveform graph of hysteresis control若令 s e 的標(biāo)幺值 n e 為s n dc 2e e U =(6則有s 2dc n 8(1 hLT U e = (7np s12e T T += (8 nn s12e T T = (9 由式(7分析,若滯環(huán)環(huán)寬 H 恒定,而 n e 變 化,則 PWM 開關(guān)周期 s T 一定變化,因此要使得開關(guān) 頻 率 固 定 不 變 , 則 調(diào) 制 周 期 必 須 不 變 , 令 s r T T c =,這樣2dc rn (1 4U T H e L= (10 顯然,控制 H ,則可以保持 s r T

15、 T =,可以引入閉環(huán)控制,故設(shè)計(jì)一個跟蹤給定頻率時鐘的鎖相 環(huán)控制系統(tǒng),從而達(dá)到固定頻率控制要求,控制框 圖如圖 5所示。 圖 5 三環(huán)控制原理框圖Fig.5 Principle graph of three-loop control當(dāng)給定一個固定頻率的時鐘信號時,鎖相環(huán)控制不僅確保了固定開關(guān)頻率控制,而且控制了輸出電壓脈沖序列與時鐘脈沖序列間的相位差,從而使 輸出電壓脈沖序列能跟蹤時鐘脈沖序列,并使兩者 相位差最小,這種跟隨控制的精度取決于鎖相環(huán)增 益的大小。滯環(huán)電流控制具有非線性特征,可以采用微偏 線性化的方法進(jìn)行系統(tǒng)分析。對于式(7 ,開關(guān)頻 率 s s f =,則2dc n s (1

16、 4U e f HL= (11綜合式 (8 (11 , 開關(guān)頻率 s f 對滯環(huán)環(huán)寬 H之間微偏增益為2dc n 2d (1 d 4fH U fG e H LH (12 當(dāng)鎖相環(huán)穩(wěn)定控制時,若開關(guān)頻率被鎖定在s r r f f c =時,式(12變?yōu)閞fH f G H=(13 式(13說明,當(dāng)開關(guān)頻率被鎖相環(huán)鎖定后,增益 fH G 將隨 H 的變化而變化,這將對鎖相環(huán)的控 制穩(wěn)定性產(chǎn)生影響, 因此如何補(bǔ)償因滯環(huán)寬度 H 變化帶來對增益 fH G 的變化成為三環(huán)控制的關(guān)鍵。設(shè)鎖相環(huán)的系統(tǒng)增益為 P G ,在鎖相環(huán)系統(tǒng)中, 相位檢測環(huán)節(jié)可看成是一個積分環(huán)節(jié),其傳遞函數(shù) 可表示為d 2( d f G

17、 s f s= (14 若相位調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié),即P1( sG s K s+= (15 式中:P K 是比例增益; 是超前時間常數(shù)。當(dāng)鎖相環(huán)穩(wěn)定工作時,其鎖相環(huán)系統(tǒng)增益為P ( ( ( fH f G s G G s G s =rP212f s K s H+i (16 對于式 (16 , 若能自動變化 P K , 使 P K H 維 持不變,則鎖相環(huán)系統(tǒng)增益 P G 將不隨寬度 H 的變化而變化,從而使系統(tǒng)能穩(wěn)定地運(yùn)行。要使 P K H 不變,關(guān)鍵在于對滯環(huán)寬度 H 的 估計(jì)。 假設(shè)周期為 r T 的調(diào)制信號所對應(yīng)的滯環(huán)寬度 為 *H ,而周期為 T 的調(diào)制信號所對應(yīng)的滯環(huán)寬度李 明,等

18、光伏并網(wǎng)逆變器的三環(huán)控制策略研究 - 49 -為 H ,利用式(10可以得到*r rT HKT H HT KT=(17 若使 PI 調(diào)節(jié)器中 P K 隨 *H 變化,即*P P H K K K H = (18 當(dāng) *H 估計(jì)精度足夠高時,將 *H H =代入式 (16中,得*P Pr 21( 2H SG s K f K S+= (19 式中:P K , H K 均為定值,因而鎖相環(huán)控制增益 將不隨滯環(huán)環(huán)寬 H 的變化而變化, 從而最終使開關(guān) 頻率穩(wěn)定在 r f 。3 仿真結(jié)果與分析利用 Matlab/Simulink分別對基于傳統(tǒng)雙閉環(huán) 控制和本文提出的三環(huán)控制進(jìn)行了單向全橋光伏并 網(wǎng)逆變器的

19、仿真和分析。仿真參數(shù)如下:直流母線 電壓 150 V,輸出交流并網(wǎng)電流峰值為 22 A,頻率 為 50 Hz, 濾波電感為 0. 8 mH, 開關(guān)頻率為 4 000 Hz。圖 6(a 是基于本文提出的三環(huán)控制下光伏并 網(wǎng)逆變器的輸出電流波形圖 6(b 是基于傳統(tǒng)的雙 閉環(huán)滯環(huán)控制下并網(wǎng)逆變器的輸出電流波形,從圖 中可以看出三環(huán)控制能更好地使并網(wǎng)逆變器跟蹤參2520151050-5-10-15-20-25t /si /A(a三環(huán)控制下的并網(wǎng)電流波形 2520151050-5-10-15-20-2500.005i /A(b 傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制下的并網(wǎng)電流波形圖 6 兩種控制策略下的并網(wǎng)逆變器輸出電流波

20、形 Fig.6 Output current waveform of grid-connected system undertwo control methods考電流,輸出功率因數(shù)更接近于 1。對圖 6輸出電流進(jìn)行頻譜分析,從圖 7中高次 諧波分布中可以看出,圖 7(a 三環(huán)控制下輸出系 統(tǒng)電流諧波總畸變率為 2.36%,圖 7(b 雙閉環(huán)滯 環(huán)控制下輸出系統(tǒng)電流諧波總畸變率為 3.74%。所 以在減少諧波方面,本文提出的三環(huán)控制具有明顯 的優(yōu)勢。Fundamental (50 Hz=20.95,THD =2.36%M a g /(%o f F o u n d m e n t a l 

21、15;103(a 三環(huán)控制下并網(wǎng)電流諧波分246810f /HzM a g /(%o f F o u n d m e n t a l Fundamental(50 Hz=21.64 , THD =3.74%×103(b 傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制下電流諧波分析圖 7 系統(tǒng)輸出電流的諧波分析Fig.7 Harmonic analysis of the systems output current圖 8是三環(huán)控制下并網(wǎng)逆變器的開關(guān)頻率波形 圖,從圖中可以得出,功率開關(guān)的頻率始終穩(wěn)定在 給定頻率 4 000 Hz附近, 所以可以得出本文提出的 此控制策略能很好地穩(wěn)定開關(guān)頻率,從而簡化系統(tǒng) 濾波器的設(shè)計(jì)

22、。f / k H zt /s圖 8 三環(huán)控制下并網(wǎng)逆變器開關(guān)頻率波形Fig.8 Switching frequencies of grid-connected inverter underthree-loop control4 實(shí)驗(yàn)波形與分析設(shè)計(jì)一臺 1 kW的雙極單相并網(wǎng)逆變器,- 50 - 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制DC-DC 環(huán)節(jié)采用一 BOOST 升壓電路, 逆變器采用 單相全橋拓?fù)?交流側(cè)采用簡單的電感器濾波。逆 變系統(tǒng)的主要參數(shù)同 Matlab 仿真參數(shù)。圖 9為采用傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制下的逆變器輸出電 壓、電流波形(幅值大的為電壓波形 。 Fluck 電能 質(zhì)量分析儀的分析結(jié)果為:PF (功率

23、因數(shù) 為 0.99, 電流諧波含量(THD 為 4.3%,輸出電流中的主要 的諧波成分為 5次諧波。Tek1CH15.00V CH2500mV M 5.00mx8Jan 10 15:06StopM Pos:1.00msSAVE_REC動作格式 關(guān)于 存圖像 選擇 文件夾 儲存TEK0002.BMP存圖像圖 9 傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制下并網(wǎng)逆變器輸出的電流和電壓波形 Fig.9 Grid inverter output current and voltage waveforms underthe traditional double-loop control method圖 10為采用三環(huán)控制下的逆變器

24、輸出電壓、 電 流波形 (幅值大的為電壓波形 。 在這種控制方法下 測出的數(shù)據(jù)為:PF 為 0.99,電流 THD 為 2.7%,輸 出的 5次諧波明顯降低, 諧波含量主要為高次諧波。Tek1CH15.00V CH2500mV M 5.00mx8Jan 10 15:50StopM Pos:1.00msSAVE_REC動作格式 存圖像 選擇 文件夾 儲存TEK0002.BMP存圖像圖 10 三環(huán)控制下并網(wǎng)逆變器輸出電流及電壓波形 Fig.10 Grid inverter output current and voltage waveformsunder the three-loop contro

25、l method5 結(jié)論本文提出的三環(huán)控制策略,保留了雙閉環(huán)滯環(huán) 電流控制的基本特點(diǎn), 因而保持了其控制穩(wěn)定性好、 動態(tài)響應(yīng)快、具有內(nèi)在限流能力等優(yōu)點(diǎn);在此基礎(chǔ) 上,通過增加一頻率閉環(huán)對滯環(huán)的環(huán)寬進(jìn)行自動調(diào) 整, (這種頻率自動調(diào)整控制只需要采用模擬開關(guān)就 可以實(shí)現(xiàn),相對常規(guī)的定頻算法,降低了對數(shù)據(jù)處 理器的要求,簡化控制進(jìn)而使開關(guān)頻率基本上固 定在設(shè)定頻率值,從而使光伏并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)側(cè)濾波器的設(shè)計(jì)難度大大減小,并且使系統(tǒng)的輸出電流 總 畸 變 率 達(dá) 到 了 IEEE Std.929-2000和 IEEE Std.P1547標(biāo)準(zhǔn)的要求,并且為一較低諧波值。 參考文獻(xiàn)1 LIU Fang-ru

26、i, Maswood A I. A novel variable hysteresisband current control of three-phase three-level unity PF rectifier with constant switching frequencyJ. IEEE Transactions on Power Electronics, 2006: 1727-1734. 2 張伯泉,楊宜民 . 風(fēng)力和太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 J. 中國電力, 2006, 39(6 :65-69.ZHANG Bo-quan, YANG Yi-min. Status and trend of wind/photocoltaic power developmentJ. Electric Power , 2006, 39(6 :65-69.3 Shannon A. A 240VAC unity power factor grid consentedrectifier/inverter utilizing the three phase motor driveD. University of Queensland, 2002.4 洪峰,劉軍 . 滯環(huán)電流控制型雙 BUCK 逆變器 J. 電工技術(shù)學(xué)報, 2004, 19(8 :73-77.HONG Feng