基于改進雙閉環(huán)控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)研究

陳 誠，王 勛，程宏波

（華東交通大學電氣與電子學院，江西南昌330013）

光伏發(fā)電技術迅速發(fā)展，其中并網(wǎng)發(fā)電技術更受到關注[1-5]。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)普遍采用兩級式結構，從而可以分級控制[6]，光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)換為不穩(wěn)定的電能后[7-9]，經(jīng)直流變直流（DC/DC）得到較穩(wěn)定的直流電，再逆變?yōu)榻涣麟娗也⒕W(wǎng)向負載供電。在實際應用中，往往存在光照強度很強時，直流側(cè)輸出功率大于逆變側(cè)設計時設定的并網(wǎng)最大功率[10]，由于逆變電路功率被限制在設計功率上，此時若直流側(cè)繼續(xù)做最大功率跟蹤，這必然導致直流母線上的電壓升高，直至電容或者開關器件損壞，導致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，這樣不僅造成經(jīng)濟的損失，還嚴重影響人生安全[11]。

針對上述現(xiàn)象，文獻[12]通過設計變步長的最大功率跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制算法來控制母線電壓，但是并未考慮逆變側(cè)的設計功率不容許逆變側(cè)輸出功率過大。文獻[13]提出增大直流母線電容，但這造成控制系統(tǒng)響應慢，且系統(tǒng)體積大，降低了系統(tǒng)的功率密度，成本昂貴，效果不佳。文獻[14]始終控制直流側(cè)輸出功率等于逆變側(cè)的輸入功率，來限制母線電壓波動，但控制復雜，且這樣增加了逆變器件選型的要求，實現(xiàn)難度大。為了提高系統(tǒng)的功率密度和光伏電池能量的利用率，本文提出一種新型的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制方案，詳細分析了它的控制設計方法，并進行了仿真驗證。

1 系統(tǒng)結構及新控制策略

系統(tǒng)采用現(xiàn)今商業(yè)上使用最多的也是最常見的前級Boost升壓、后級全橋逆變結構[15-16]，選取型號為SW-10S的光伏電池串并聯(lián)為光伏陣列[17]。MPPT控制采用擾動觀察法，它實現(xiàn)簡單，并且能夠?qū)崟r控制[18-19]。Boost升壓電路和全橋逆變電路均采用了平均電流控制方法[20-21]。

本文在直流側(cè)設計了一種三環(huán)控制，即基于Boost電路原本的電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制結構，再加入一級Boost輸出電壓的PI環(huán)，以控制電壓外環(huán)輸出。在輸入電壓外環(huán)正常工作時，Boost輸入功率小于系統(tǒng)設計的最大功率，直流母線電壓被逆變電路的電壓外環(huán)穩(wěn)定，直流母線電壓保護環(huán)由于基準一直不等于反饋，導致飽和輸出在限幅狀態(tài)，在控制分析中可以不考慮，此時只有電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)來控制；當光照強度增強致使光伏組件最大輸出功率大于設計的最大功率，逆變側(cè)電壓環(huán)飽和，逆變功率由于電流基準限幅而被限制，多出的功率加在電容上，電容電壓升高，當大于設定的保護電壓時，直流母線電壓保護環(huán)開始作用，Boost電壓外環(huán)飽和輸出在限幅狀態(tài)，輸入的Boost電流基準只由直流保護環(huán)的輸出決定，這樣就保證了輸出不超過最大功率，直流母線電壓不超過設定值。

2 控制系統(tǒng)設計

由于設計需要，列出標態(tài)下（溫度25℃，光照1 000 W·m-2），系統(tǒng)參數(shù)設置如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)設置Tab.1 System parameters

整個控制系統(tǒng)分為Boost三環(huán)控制和逆變電路雙環(huán)控制，本文先重點分析Boost三環(huán)控制設計，再簡要說明逆變電路控制設計。

圖1 Boost三環(huán)控制結構圖Fig.1 The structure chart of Boost three-loop control

2.1 前饋設計

加入前饋環(huán)節(jié)屬于一種復合控制方案，從抑制擾動的角度看，前饋控制可以很大地減輕反饋控制的負擔，易于系統(tǒng)的穩(wěn)定。當控制環(huán)節(jié)采用典型一階系統(tǒng)時，雖然使系統(tǒng)具有很好的跟隨性，但系統(tǒng)受干擾時，需要很長的時間才能使系統(tǒng)穩(wěn)定；如采用典型二階系統(tǒng)，雖能增強系統(tǒng)的抗干擾性能，但降低了其跟隨性能。因此考慮在典型一階系統(tǒng)中加入前饋設計，就可以保證系統(tǒng)的跟隨性和抗干擾性能。

本文采用了靜態(tài)前饋補償?shù)姆绞絹砗喕到y(tǒng)的控制設計，設電壓前饋系數(shù)，剛好可以抑制電壓的擾動。從補償?shù)脑韥砜?，前饋補償不會改變反饋控制的系統(tǒng)的特性，所以在分析電流環(huán)和電壓環(huán)時，可以不考慮前饋的影響[23-24]。

2.2 Boost電流內(nèi)環(huán)的控制設計

由圖2可以寫出Boost電流內(nèi)環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)Goi(s)：

根據(jù)Boost電路小信號模型，考慮到MPPT相對電壓環(huán)很慢，得到電感電流iL與占空比d之間的傳遞函數(shù)Gid(s )[20-22]：

為了提高電流環(huán)的低頻增益和高頻抑制，加快電流內(nèi)環(huán)跟蹤速度和減小穩(wěn)態(tài)誤差，需增加補償環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)Gci(s)如下，其中Kip為電流環(huán)補償環(huán)節(jié)比例調(diào)節(jié)增益，τi為積分時間常數(shù)。

由于電流采樣要實時跟蹤電流，需采樣到開關量，所以電流采樣的截止頻率就定義在開關頻率，通過合并兩個小時間常數(shù)，得電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)Goi(s)：

考慮電流環(huán)的快速跟隨性能，采用典型一階系統(tǒng)進行參數(shù)設定，要求PI的零點和Gid(s)的極點相抵消且系統(tǒng)阻尼比為 0.707[23-25]，可得。將各參數(shù)結果帶入式（4），得到電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)Goi()s：

現(xiàn)代項目管理模式中贈添了范圍管理和項目集中管理兩塊管理領域?，F(xiàn)代項目管理同時針對于項目管理的風險和不確定因素，傳統(tǒng)項目管理模式更多地對項目工期重視，各個項目沒有集成、范圍和風險進行專項管理。導致傳統(tǒng)項目在管理中各部門缺乏聯(lián)系對問題處理上沒有針對性，這也是傳統(tǒng)項目管理模式效用難以提高的關鍵原因?，F(xiàn)代項目管理相比于傳統(tǒng)項目管理新增了范圍項目、集成項目、風險控制的專項管理模式，可使項目管理效用有效提高，這也是現(xiàn)代項目管理模式成為當前主流的最重要原因。

電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Gi(s)：

當開關頻率很高時，可忽略掉二次項，則電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)Gi(s)可簡化：

若繪出電流內(nèi)環(huán)開環(huán)波特圖和閉環(huán)波特圖，可以看到兩個傳遞函數(shù)都有足夠的相位裕量和增益裕量，系統(tǒng)相對穩(wěn)定性和動態(tài)性能較強。

2.3 Boost輸入電壓外環(huán)的控制設計

本文Boost電路控制存在兩個電壓環(huán)，即輸入的電壓外環(huán)和直流母線電壓保護環(huán)。雙電壓環(huán)所對應的電壓基準不一樣，在分析輸入電壓外環(huán)時，不考慮直流母線電壓保護環(huán)。

電壓外環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)Gov(s)：

為簡化分析，根據(jù)Boost電路小信號模型和光伏電池的模型，在考慮MPPT遠慢于電壓環(huán)和忽略輸入電容的內(nèi)阻情況下，可以得到輸入電壓uin與電感電流iL之間的傳遞函數(shù)Gvi(s)，其中，Req為最大功率點時光伏電池等效內(nèi)阻。

與電流內(nèi)環(huán)一樣，加入補償環(huán)節(jié)Gcv(s)來增加開環(huán)增益，提高動態(tài)響應性能和濾除高次諧波，Gcv(s)表示如下，其中Kvp和τv分別為電壓環(huán)補償環(huán)節(jié)的比例系數(shù)和積分時間常數(shù)。

由于在對直流電壓采樣中，我們需要濾除由于交流電網(wǎng)側(cè)瞬時功率帶來的直流母線的波動，一般截止頻率設置在電網(wǎng)頻率的十分之一處。將各式帶入，并合并兩個小時間常數(shù)，得電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)Gov(s)：

實際光伏電池的阻抗是受光照、溫度和工作電流等因素影響，為簡化控制系統(tǒng)設計，方便補償環(huán)節(jié)參數(shù)計算，設Req=0。綜合考慮電壓外環(huán)的抗干擾性能和跟隨性能，按典型Ⅱ型系統(tǒng)來設計電壓調(diào)節(jié)器，工程上一般取中頻寬h為5，得到：

由典型Ⅱ型系統(tǒng)震蕩指標法，以閉環(huán)幅頻特性峰值最小準則來給控制器參數(shù)整定[22-25]，有：

結合以上兩式和系統(tǒng)參數(shù)，可得補償環(huán)節(jié)參數(shù)τv=1，最后可得電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)Gov(s)：

可以從其波特圖看出傳遞函數(shù)滿足系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性的要求。

2.4 Boost直流母線電壓保護環(huán)設計

同輸入電壓外環(huán)的分析一樣，只考慮直流母線電壓保護環(huán)工作。輸出電壓uo與輸入電流iL的傳遞函數(shù)Gbi(s)如下，其中Ro為Boost等效輸出電阻。

按照典型二階系統(tǒng)參數(shù)整定可得補償環(huán)的積分時間常數(shù)τb=1，比例調(diào)節(jié)增益最后可得直流保護電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)Gob(s)為：

可以從其波特圖看出，它的相位裕量和增益裕量滿足系統(tǒng)要求。

2.5 逆變電路雙環(huán)設計

逆變電路采用傳統(tǒng)雙環(huán)控制結構，控制的電壓為直流母線電壓，同Boost電路控制環(huán)路設計一樣，全橋逆變電路電流環(huán)的補償環(huán)節(jié)(s)和電流開環(huán)傳遞函數(shù)(s)：

可以從它們的波特圖證實傳遞函數(shù)有足夠的相位裕量和增益裕量。

3 仿真結果

3.1 逆變電流輸出并網(wǎng)

逆變器接電網(wǎng)，需保持電感電流iL與電網(wǎng)電壓uLN同頻同相位，仿真波形如圖2所示。從圖2中可以看到，電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流始終同頻同相位，實現(xiàn)了輸出功率因數(shù)為1的要求。

3.2 最大功率跟蹤仿真

要知道本文中的MPPT能否實現(xiàn)，需觀察Boost輸入電壓uin和電流iin，其波形如圖3所示，其中輸入電壓幅值縮至0.1倍，輸入電流幅值不變。

從仿真結果中可以看到，輸入電壓穩(wěn)定在約280 V的位置，輸入電流均值在11.4 A附近，與光伏組件參數(shù)Um=280 V，Im=11.4 A一致，驗證了MPPT能實現(xiàn)。

圖2 電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形Fig.2 Waveform of grid voltage and current

圖3 Boost輸入電壓與電流波形Fig.3 Input voltage and current waveform of Boost

3.3 直流母線電壓保護仿真結果

光照增強至1 500 W·m-2下，對加了直流母線電壓保護環(huán)的直流母線電壓ubusb及Boost電感電流iLb和沒加保護環(huán)的直流母線電壓ubus及Boost電感電流iL進行仿真對比，得到仿真波形圖如圖4所示。

光照增強直接導致光伏組件最大輸出功率增加，由于逆變側(cè)功率被限制，此時若繼續(xù)做MPPT，多出的功率加在直流母線電容上，圖中可以看到ubus持續(xù)升高，無法抑制；而加了保護的電路，保護環(huán)輸出作為Boost電感電流基準，控制其大小，圖中可見iLb峰值明顯小于iL，使得ubusb穩(wěn)定在直流母線電壓保護環(huán)的基準電壓400 V上下，很好的實現(xiàn)了限制直流母線電壓過高，保護電路器件，使系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作的目的，證明了該保護是有效的。

圖4 直流母線電壓保護驗證圖Fig.4 Verification figure of DC bus voltage protection

4 結論

本文對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制進行了分析與設計，提出了一種新型控制，在Boost功率大于逆變電路功率時，通過直流母線電容過電壓的保護控制，自動調(diào)節(jié)Boost功率以匹配逆變電路功率。從仿真波形對比中可以看到這種控制能有效地使直流母線電壓穩(wěn)定在預設電壓值附近，同時滿足系統(tǒng)額定功率輸出，提高系統(tǒng)運行的可靠性。

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