三相光伏并網(wǎng)逆變器的控制與研究

張 寧,秦 凱,楊世寧

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

三相光伏并網(wǎng)逆變器的控制與研究

張 寧,秦 凱,楊世寧

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

為有效地使用光伏能源,介紹了光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成和探討了逆變器的控制方法。在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下,建立三相光伏逆變器控制系統(tǒng)仿真模型,采用雙回路的電壓電流控制策略,對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行CLARK和PARK坐標(biāo)變換,然后經(jīng)過經(jīng)典的PI調(diào)節(jié)后送入相應(yīng)的控制芯片來產(chǎn)生SPWM波形對逆變橋開關(guān)進(jìn)行控制,使系統(tǒng)能夠及時檢測電網(wǎng)波動,斷開逆變器與電網(wǎng)的連接。,通過仿真試驗結(jié)果證明了該控制算法的正確性與可行性，驗證了這種雙回路控制策略的有效性。

光伏發(fā)電;三相逆變器;PI調(diào)節(jié);SPWM

光伏能源已成為一種重要的可持續(xù)能源[1]。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,光伏陣列產(chǎn)生的直流電可以將經(jīng)過逆變電路逆變成的交流電,一部分供用戶使用,另一部分可并入電網(wǎng)緩解用電高峰。但是,整個系統(tǒng)逆變能力的高效性是由高頻率脈寬調(diào)制信號來控制的,所以為了減少自身開關(guān)的損耗、不平衡負(fù)載下輸出電壓的非線性以及輸出的波動性、電磁干擾和高次諧波的影響,必須提高逆變器的轉(zhuǎn)換效率。在逆變器控制系統(tǒng)中常用的控制器有現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)、數(shù)字信號處理器(DSP)等[2]?；诖?本文介紹了光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成，探討了逆變器的控制方法,在MATLAB/SIMULINK環(huán)境中建立了三相光伏逆變器控制系統(tǒng)仿真模型,以使整個控制系統(tǒng)產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓幅值、頻率、相位相同的正弦波,然后并入電網(wǎng)中,電網(wǎng)出現(xiàn)波動時能及時與電網(wǎng)斷開,保證電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 并網(wǎng)逆變系統(tǒng)介紹

光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)如圖1所示。光伏逆變并網(wǎng)系統(tǒng)主要由光伏陣列、逆變器、LC濾波、負(fù)載、控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。系統(tǒng)對光伏陣列產(chǎn)生的直流電進(jìn)行儲存,經(jīng)過DC-AC直流升壓電路后的直流電作為逆變器的輸入級,然后對其直流電采集并進(jìn)行MPPT跟蹤,確保光伏陣列始終工作在最大功率點處[3]。不同的環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度都會影響光伏陣列的輸出電流,為了分析簡單化,設(shè)光伏陣列的工作溫度為25 ℃,光照強(qiáng)度為1000 W/m2?？刂葡到y(tǒng)設(shè)有電壓電流控制模塊、電網(wǎng)電壓同步模塊、SPWM發(fā)生器、異常電壓或頻率檢測模塊等,主要對逆變電流和電網(wǎng)電壓進(jìn)行采集,并將采集的信號送入DSP控制芯片中,經(jīng)過控制算法轉(zhuǎn)換處理,輸出精確的SPWM控制信號來控制IGBT的通斷。通過調(diào)節(jié)使輸出的交流信號穩(wěn)定,與電網(wǎng)電壓同相位、同幅值、同頻率,然后并入電網(wǎng)中[4]。

圖1 光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)

太陽能電池的輸出電流受到環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度的影響,輸出電流為

通常情況下光伏陣列由光伏電池串并聯(lián)組成一個整體作為逆變器的輸入級,產(chǎn)生的電流和電壓為

VPV=NS[Vref-β(T-Tref)-RS(T-Tref)]

輸出的功率為

Ppv=VPV×IPV

在設(shè)計中用了72塊光伏陣列串并聯(lián)結(jié)構(gòu),總的輸出直流電壓為408 V,功率容量為5.8 kW,經(jīng)過升壓電路將電壓升到700 V作為逆變電路的輸入級,逆變器輸出的線電壓為415 V。經(jīng)過LC濾波電路濾除高次諧波的干擾,使輸出的電壓波形近似正弦波供負(fù)載使用,再對電網(wǎng)電壓進(jìn)行采集、處理,將逆變出的電壓并入電網(wǎng)中。

2 控制策略

在逆變器控制過程中,主要分為獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種模式[5]。在并網(wǎng)運(yùn)行之前,系統(tǒng)首先進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行,以輸出穩(wěn)定電壓。一旦同步,就進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行模式。獨(dú)立運(yùn)行下的雙回路控制策略如圖2所示。利用PI控制器來調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓和光伏陣列的輸入電壓。控制算法中包括鎖相環(huán)控制、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、電壓比較環(huán)節(jié)、PI調(diào)節(jié)和SPWM控制信號發(fā)生器等。

在獨(dú)立運(yùn)行模式下,逆變輸出的三相電壓供負(fù)載使用,而不與電網(wǎng)并聯(lián)。經(jīng)過電壓環(huán)的控制,輸出的三相電壓分別為

圖2 雙回路電壓控制策略

經(jīng)過CLARK和PARK變換到d-q坐標(biāo)中,再利用50 Hz的鎖相環(huán)采集相位,使三相電壓之間相位相差120°,坐標(biāo)變換式子為

式中:u(t)為控制器的輸出電壓,Kp和Ki分別為比例積分增益。產(chǎn)生的誤差信號即為基準(zhǔn)電壓信號與測得的電壓信號之差:

e(t)=r(t)-y(t)

PI控制器將系統(tǒng)出現(xiàn)的誤差信號比例放大,并利用積分快速調(diào)節(jié),直至誤差消失[6]。經(jīng)過這樣的控制方式能夠使產(chǎn)生的SPWM控制信號的誤差保持最小，使系統(tǒng)的輸出電壓盡可能地接近所要的參考電壓，使其結(jié)果更穩(wěn)定[7]。

當(dāng)系統(tǒng)檢測到逆變輸出的三相電壓與從電網(wǎng)采集到的電壓在幅值、頻率和相位都同步的情況下,系統(tǒng)給予斷路器閉合信號,將系統(tǒng)接入電網(wǎng)開始并網(wǎng)運(yùn)行模式。并網(wǎng)運(yùn)行下電流控制策略如圖3所示。

圖3 雙回路電流控制策略

采集逆變輸出電流,經(jīng)過坐標(biāo)變換與基準(zhǔn)電流進(jìn)行比較再作PI調(diào)節(jié)?；鶞?zhǔn)電壓由電壓控制策略直流側(cè)獲得,即直流母線電壓。Vdc是經(jīng)PI調(diào)節(jié)和直流升壓后得到的700 V。為防止電網(wǎng)對系統(tǒng)的擾動,當(dāng)檢測到變化時,控制器就會給斷路器斷開信號,使系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開,進(jìn)入獨(dú)立運(yùn)行模式。

3 控制信號發(fā)生器

在兩個環(huán)路的最后控制環(huán)節(jié)都是SPWM的產(chǎn)生環(huán)節(jié),經(jīng)過PI調(diào)解后將信號送入控制器,然后產(chǎn)生控制IGBT通斷的控制信號。信號產(chǎn)生過程中的載波信號是15 kHz的三角波,SPWM控制中采用的脈寬調(diào)制信號是近似正弦波的信號,即為逆變輸出波形的基波頻率。通過控制占空比來控制IGBT的通斷,三角波頻率的設(shè)定即為逆變器開關(guān)的頻率。

輸出的交流電壓中諧波分量的頻率為

f=kMffc

式中:fc為控制信號的頻率,k為常數(shù),Mf為頻率調(diào)制指數(shù)。

ftri為三角波頻率。

由于光伏陣列的輸出電壓被控制在一定的電壓范圍作為逆變環(huán)節(jié)的輸入級,輸出交流電壓的調(diào)節(jié)關(guān)系式為

V0=0.612MaVdc

式中:Vdc為直流輸入電壓;Ma為振幅調(diào)制指數(shù),是控制振幅的比值信號。

式中:AVC為控制信號的振幅,AVtri為三角載波信號的振幅。

參數(shù)的選擇決定了逆變器輸出線電壓的基本有效值應(yīng)保持在0.9左右的范圍,以便不出現(xiàn)過調(diào)制的現(xiàn)象,可避免輸出電壓中多次諧波的出現(xiàn)[8]。逆變器輸出電壓經(jīng)過濾波器后與電力網(wǎng)絡(luò)連接,沒有使用隔離變壓器是因為它體積大、沉重而且昂貴,與三相阻抗負(fù)載連接也是如此。在設(shè)計和實驗過程中,基本可以實現(xiàn)正弦波的輸出,經(jīng)過濾波器可有效濾除高次諧波,截止頻率一般設(shè)為基波頻率的1～2倍即可。

4 仿真模型及結(jié)果

在MTALAB中建立的仿真模型如圖4所示。逆變輸出的三相電壓波形如圖5所示。從圖5可看出,在0.03 s處,波形出現(xiàn)稍微變化,這說明在0.03 s之前,系統(tǒng)工作在獨(dú)立運(yùn)行模式,波形近似正弦波,相位相差120°,幅值為1 p.u(240 V),頻率為50 HZ,此時控制算法為電壓控制策略。在0.03 s之后,輸出的電壓與電網(wǎng)電壓同步,實現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行,進(jìn)入并網(wǎng)模式,控制算法為電流控制策略。

輸出的三相電流波形如圖6所示。三相電流波形近似正弦波,在0.03 s處電流進(jìn)行了調(diào)節(jié),之后進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行模式。由圖6可看出,這種算法能夠保證流入電網(wǎng)的電流維持在恒定水平。

光伏陣列產(chǎn)生的功率、負(fù)載消耗的功率、電網(wǎng)功率的變化如圖7所示。從圖7可看出,在并網(wǎng)運(yùn)行之前(0～0.03 s),由PV產(chǎn)生的功率(5.8 kW)全部消耗在負(fù)載上,在并網(wǎng)初期(0.03 s～0.05 s)功率變化微小。當(dāng)負(fù)載功率提高到8.8 kW時,PV輸出的功率不變,但電網(wǎng)功率下降供負(fù)載使用。當(dāng)負(fù)載功率減低到2.8 kW時,電網(wǎng)功率明顯提高,多余的功率將流入電網(wǎng)中。

輸出電壓和電流的THD如圖8和圖9所示。在圖8和圖9中,輸出電壓和電流的的THD分別為2.48%和4.64%,符合低于5%的IEEE標(biāo)準(zhǔn)。由此說明,電壓和電流的控制方法、SPWM的控制方法、實驗過程的濾波器設(shè)計在整個逆變器系統(tǒng)中可行。當(dāng)電網(wǎng)電壓頻率出現(xiàn)擾動時,逆變器的工作狀態(tài)也會隨之發(fā)生改變。電網(wǎng)頻率增到51 HZ時,輸出電壓的變化如圖10所示。

圖4 仿真模型

圖5 三相輸出電壓

圖6 三相輸出電流

圖7 負(fù)載變化時功率變化圖

圖8 輸出電壓的THD和諧波頻譜

圖9 輸出電流的THD和諧波頻譜

圖10 電網(wǎng)頻率為51 Hz時電網(wǎng)電流和逆變電壓

從圖10可看出,在0.03 s處監(jiān)測到電網(wǎng)出現(xiàn)擾動,經(jīng)過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)直到0.113 s,大約2.65個周期,逆變器輸出電壓降為0,流過電網(wǎng)電流也為0。這說明當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)擾動時,經(jīng)過監(jiān)測調(diào)節(jié)使斷路器與電網(wǎng)斷開,確保逆變器不對電網(wǎng)造成影響,保證整個電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定,同時也保證了設(shè)備與后續(xù)檢測人員的安全。同理,當(dāng)電網(wǎng)頻率減低到49 Hz時,電網(wǎng)電流和逆變電壓也有同樣的變化,斷路器同樣會斷開,保證電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定和設(shè)備及檢測人員的安全。

仿真結(jié)果如圖11所示。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生擾動時,逆變器的工作狀態(tài)也會隨之發(fā)生改變。當(dāng)逆變器開始并網(wǎng)運(yùn)行時,檢測信號變?yōu)楦?當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)擾動時,檢測信號會變?yōu)榈?。電網(wǎng)電壓升高到264 V時電網(wǎng)電壓和檢測信號如圖12所示,電壓變?yōu)?64 V后輸出電壓的變化如圖13所示。

從圖12和圖13可看到,在0.03 s時檢測信號變?yōu)楦?逆變器開始進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行模式,當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生干擾時,檢測信號變?yōu)榈?斷路器斷開,流入電網(wǎng)電流為零,使逆變器與電網(wǎng)斷開,逆變輸出電壓為零。

圖11 電網(wǎng)頻率為49 Hz時電網(wǎng)電流和逆變電壓

圖12 電網(wǎng)電壓為264 V時檢測信號

圖13 電網(wǎng)電壓為264 V時電網(wǎng)電流和逆變電壓

當(dāng)電網(wǎng)電壓降低到211 V時,輸出電壓同樣會發(fā)生改變,如圖14和圖15所示。由圖14、圖15可看出,在0.03 s開始并網(wǎng)運(yùn)行,0.065 s時電網(wǎng)電壓發(fā)生擾動,斷路器斷開,流入電網(wǎng)電流為零,逆變輸出電壓為零。

圖14 電網(wǎng)電壓為211 V時檢測信號

圖15 電網(wǎng)電壓為211 V時電網(wǎng)電流和逆變電壓

5 結(jié) 語

在MATLAB/Simulink環(huán)境下,建立了整個光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)仿真模型。分別采用了雙回路的電壓和電流控制算法,對逆變器輸出電流、電網(wǎng)電壓及相位分別進(jìn)行采集,將三相的采集數(shù)據(jù)經(jīng)過CLARK和PARK坐標(biāo)變換后,轉(zhuǎn)到d-q坐標(biāo)系中進(jìn)行處理。與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較并經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后送入控制芯片中產(chǎn)生相應(yīng)的控制逆變橋開關(guān)的驅(qū)動脈沖信號。經(jīng)過調(diào)節(jié)后與電網(wǎng)電壓完全同步后進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行模式。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)擾動時,采集器能夠做出相應(yīng)的措施,使逆變器與電網(wǎng)斷開,保證電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。仿真結(jié)果表明,該模型與控制方法能夠有效將PV產(chǎn)生的直流電逆變成交流電,并通過控制方法的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行,在一定程度上驗證了該控制算法的正確性與可行性。

[1] 姚為正,付永濤,蘆開平,等.三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究[J].電力電子技術(shù),2011,45(7):5-7. YAO Weizheng, FU Yongtao, LU Kaiping, et al. Research on three-phase photovoltaic grid-connected inverter [J]. Power Electronics, 2011,45(7):5-7.

[2] 于寧,何同能,王澤鍇.基于DSP的三相逆變并網(wǎng)同步控制算法及實現(xiàn)[J].機(jī)電工程,2013,30(7):878-881. YU Ning, HE Tongneng, WANG Zekai. Algorithm and realization of three-phase grid-connected inverter synchronous control based on DSP [J]. Journal of Mechanical & Electrical Engineering, 2013,30(7):878-881.

[3] 曹勇,劉萬兵,王慶勇.光伏發(fā)電逆變器工作原理及控制[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2013,32(12):119-122. CAO Yong, LIU Wanbing, WANG Qingyong. Working principle and control of photovoltaic power generation inverter [J]. Techniques of Automation and Applications, 2013,32(12):119-122.

[4] 王恒利,付立軍,肖飛,等.三相逆變器不平衡負(fù)載條件下雙環(huán)控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,37(2):398-404. WANG Hengli, FU Lijun, XIAO Fei, et al. A double-loop control strategy for three-phase inverter with unbalanced load [J]. Power System Technology, 2013,37(2):398-404.

[5] 王篤亭,李一丹. 一種400W太陽能逆變電源系統(tǒng)設(shè)計[J].黑龍江電力,2014,36(5):460-462. WANG Duting, LI Yidan. Design of 400W solar inverter syst-em [J]. Heilongjiang Electric Power, 2014,36(5):460-462.

[6] 劉青,高金峰,陶瑞,等.三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制技術(shù)研究[J].電源技術(shù),2014,38(7):1298-1301. LIU Qing, GAO Jinfeng, TAO Rui, et al. Research on control strategy for three-phase photovoltaic grid-connected syst-em [J]. Chinese Journal of Power Sources, 2014,38(7):1298- 1301.

[7] 屈百達(dá),潘文英.三相逆變器的建模及其控制[J].電源技術(shù),2014,38(2):345-348. QU Baida, PAN Wenying. Modeling and control of three-phase inverter [J]. Chinese Journal of Power Sources, 2014,38(2):345-348.

[8] 陽習(xí)黨,王恒利,揭貴生,等.雙環(huán)控制三相逆變器輸出直流分量分析與控制[J].電力電子技術(shù),2014,48(7):45-47. YANG Xidang, WANG Hengli, JIE Guishegn, et al. Analysis and control for dc bias in three-phase inverter based on dual-lo-op [J]. Power Electronics, 2014,48(7):45-47.

(責(zé)任編輯 侯世春)

Study and Control of three-phase photovoltaic grid-connected inverter

ZHANG Ning, QIN Kai, YANG Shining

(School of Electrical & Control Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

In order to effectively use PV, this paper introduced the constitution of photovoltaic grid-connected control system and discussed the control method of inverter. It is the method that adopts the simulation model of three-phase photovoltaic inverter control system established in MATLAB/SIMULINK and double-loop voltage-current control strategy to make CLARK and PARK coordinate conversion on the acquired data so as to control inverter bridge by SPWM wave form generated by the corresponding control chip after the typical PI regulation, which enables the system to detect network oscillation in time and to break the link between inverter and network. Finally, the result of simulation proved the correctness and feasibility of the control algorithm.

photovoltaic; three-phase inverter; PI regulator; SPWM

2015-03-09。

張 寧(1988—),男,碩士研究生，研究方向為供電系統(tǒng)及其安全。

TM615.2

A

2095-6843(2015)05-0441-06