光伏并网逆变器控制算法的研究_图文

1、通用低压电器篇 张 扬(1963,男,教授级高级工程师,从事新能源技术项目的开发,系统集成的应用工作。光伏并网逆变器控制算法的研究张 扬, 杨浩然(上海电器科学研究所(集团有限公司,上海 200063摘 要:针对不同的并网逆变器控制算法分别进行了研究。阐述了光伏并网逆变器的拓扑结构及工作原理,分析了各自的优缺点。利用M atlab 软件建立模型,仿真实验结果表明,无差拍控制目前是并网逆变器最合适的控制方案。关键词:光伏;逆变器;拓扑;无差拍控制中图分类号:TM 464 文献标识码:B 文章编号:1001-5531(200919-0008-04R esearch on Control Strat

2、egies of PhotovoltaicGrid -Connected InverterZ HANG Yang, Y ANG H aoran(Shanghai E lectricalApparatus Research I nstitute (G roupCo .,Ltd .,Shangha i 200063,Ch i n aAbstract :D i verse contro l strateg ies o f g rid -connected i nverter w ere studied respecti ve ly .T he t opo l ogy struc -ture and

3、w ork pri nc i p l e o f i nverters for g rid -connected PV sy stem we re expounded ,and so m e contro l strateg i es o f pho tovo lta ic grid -connected i nve rter w ere ana lyzed and compared .T he M a tlab si m ulation m odel w as estab lished .The results sho w t hat the deadbeat contro l algor

4、i th m i s at present the m ost su itab l e for pho t ovo lta i c g rid -connected i nv erter .K ey words :photovo ltaic ;inverter ;topo l ogy ;deadbeat con trol 杨浩然(1983,男,助理工程师,硕士,研究方向为太阳能光伏并网发电。0 引 言随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重,能源和环境成为二十一世纪人类所面临的重大基本问题,清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关注。其中,光伏发电以其独特的优点被公认为技术含量高

5、、最有发展前途的技术之一1。目前,光伏发电系统主要有独立运行模式和并网发电模式两种。光伏并网发电系统与独立发电系统相比具有造价低、输出电能稳定的优点,因此,具有广阔的发展前景2。本文阐述了光伏并网逆变器的拓扑结构及工作原理,针对目前常见的几种并网逆变器控制算法分别进行研究,说明了各算法的基本原理及各自的优缺点。并且利用M atlab 软件建立了各控制算法的模型,通过仿真比较,进一步揭示了各控制算法的特点,为并网逆变器的设计提供了依据。1 光伏并网逆变器的拓扑结构光伏并网逆变器的拓扑结构如图1所示。图1 光伏并网逆变器主电路图中:T 1T 4为功率器件,组成逆变桥;u AB 为并网逆变器输出的高

6、频SP WM 电压;R 为滤波电感和线路的等效电阻(在实际中有时也可忽略不计;u n 为变压器一次侧电压,u gr id 为电网电压。主电路逆变桥左右桥臂分别加上相位差互为8180b的SP WM脉冲,经交流侧电感L滤除高频信号后输送到升压隔离变压器,再经变换隔离向电网馈入与电网电压同频同相的正弦波电流。因为工频变压器的存在,实现了系统和电网的电气隔离,从而增强了系统的安全性和可靠性,目前在功率较大的光伏并网系统中,普遍采用该结构。2逆变器输出电流控制算法根据控制方式的不同,可将逆变器的控制分为输出电压反馈控制和输出电流反馈控制两种。由于电网有巨大的平衡作用,当光伏并网发电系统中的逆变器并入电网

7、工作时,采用输出电压控制方法的抗干扰能力较弱,且对外部环境变化的响应速度慢,因此,光伏并网发电系统普遍采用逆变器输出电流控制的方法2。常用的控制方法主要有滞环控制、双闭环控制、无差拍控制。除此之外,近年来还出现了一些其他的控制算法,如重复控制3-4、神经网络控制5、模糊控制6等,但这些方法在控制结构和算法上较为复杂,实际应用较少。2.1电流滞环控制电流滞环控制是一种基于瞬时值反馈的控制技术,将输出电流反馈到给定端,把反馈信号与给定信号进行比较,可得到一个误差信号,规定一定的误差允许范围,这就是滞环:当反馈值超过上限时,就产生一个控制信号去驱动相应的功率管,使反馈值减小回到滞环范围;到一定的时候

8、反馈值必然会减小到超过下限,此时又要产生一个信号去驱动相对应的另一组功率管,使反馈值增大,回到滞环范围。如此反复,就可使输出电流始终跟踪给定的参考信号,且响应速度快,误差也会控制在需要的范围之内7。电流滞环控制根据电流跟踪误差来决定功率器件的开关状态,没有传统的电流调节器,具有快速的动态响应。但缺点是该方法中的滞环宽度一般固定,功率器件开关频率随着电流瞬时值的变化而变化,不固定,造成电路工作的可靠性下降,而且在开关频率不固定的情况下给输出滤波器的设计带来困难,滤波器参数只能按照最低谐波频率来设计,必然降低逆变器输出电能质量。另外,在调制过程中容易出现很窄的脉冲和大的电流尖峰,在直流电压不够高或

9、电流幅值太小时,电流控制效果不理想。2.2电流瞬时值有效值双闭环控制电流瞬时和电流有效值双闭环控制的主电路及控制流程如图2所示。其中:1为电流有效值给定,它根据直流侧输入功率给定;2为输出电流有效值计算,将电流有效值给定与反馈回的输出电流有效值比较后进入PI调节器3运算得出网侧电流幅值给定值;4为锁相环,将网侧电流幅值指令与电网电压频率相位同步的单位正弦波相乘,在5中形成网侧标准电流正弦波;将网侧标准电流正弦波与网侧电流瞬时反馈值在3中比较得到电流偏差放大系数K i,该偏差放大系数再迭加到在5中形成的网侧标准正弦波就得到P WM控制的正弦调制波;6为载波发生器;最终正弦调制波与载波在P WM比

10、较控制器7中得到I P M模块中的I GBT 驱动信号。图2电流瞬时值和电流有效值的双闭环控制过程该并网控制的外环为电流有效值闭环,通过对网侧电流幅值给定值(给定值由并网系统最大功率跟踪算法得出的控制来调节并网电流的大小,内环为电流瞬时值闭环,通过实时的电流反馈修正电流的输出波形,有效值和瞬时值构成的双闭环控制系统保证了对输出电流幅值和波形的要求。该控制策略的优点是物理意义明确,易于用软件实现,有较小的超调量和很高的稳态精度,且开关频率固定,易于系统的设计;但缺点是在开关频率不够高的情况下,动态响应速度相对较慢,调整时间较长。利用M atlab软件进行建模分析,从仿真结果(见图3可以看出,输出

11、电流与电网电压保持了良好的频率、相位同步,功率因数近似为1。在指定时刻0.1s时,将电流有效值给定由25A突变到50A,输出电流波形在3个周波时间之后才趋于稳定,说明基于PI调节的双闭环控制的暂态响应时间较长,但暂态响应的超调量小,且该控制系9通用低压电器篇 (a输出电流瞬时值波形 (b输出电流有效值波形图3 采用电流瞬时值有效值双闭环控制的输出波形统稳定性良好,输出响应的稳态精度很高。T H D =1.78%。总之,基于PI 调节的电流有效值瞬时值的闭环控制保证了对输出电流幅值的精确控制和波形的要求,系统有较小的超调量和很高的稳态精度;系统的实时性较差,暂态响应的调整时间较长,且动态响应速度

12、较慢。因此,PI 调节的闭环控制方式作为目前运用最为成熟的控制方式,在实时性要求不是太高的系统中仍然有其实用价值。2.3 电流无差拍控制无差拍控制的基本思想是,根据含有滤波器的逆变系统的状态方程和输出的反馈信号,推算出下一个采样周期逆变器功率器件的开关时间,即逆变器下一个周期开关器件的脉宽控制量是根据逆变器当前时刻的状态量和下一个采样时刻逆变器输出的参考电流计算出来的2。由图1可知,并网逆变器以电感电流i L 为变量的电路方程为u AB -u n =L d i Ld t+R i L离散化得u AB -u n k =L i L k +1-i L k T s+R i L k (1式中:i L k

13、+1和i L k 分别为第k +1次采样时刻和第k 次采样时刻的电感电流值;T s 为采样周期;u A B k 、u n k 、i L k 分别为u A B 、u n 、i L 在第k 次采样周期内的平均值。由式(1可知: u AB k =LT s(i L k +1-i L k+u n k +R i L k 要使电感电流i L k +1在第k +1采样时刻跟踪上经最大功率跟踪算法计算得出的参考电流信号i r k +1,用i r k +1代替上式中的i L k +1即可得 u AB k =LT s(i r k +1-i L k +u n k +R i L k 而u AB k =U d D k T

14、 s,所以第k 次采样周期的P WM 脉冲宽度为D k =u AB k U dT s =L (i r k +1-i L k +(u n k +R i L kT sU d 即功率管导通时间可由i r k +1、i L k 、u n k 、i L k决定。于是对每一采样周期脉冲宽度的控制就是对参考电流信号的控制,并要求参考电流信号的频率和相位可跟踪市电电压频率和相位。利用M atlab 软件进行建模分析,从仿真结果(见图4可以看出,输出电流与电网电压保持了良好的频率、相位同步,功率因数近似为1。当在指定时刻0.1s 时,将电流有效值给定由25A 突变到50A,输出电流波形能迅速地跟踪电流给定值,在

15、短时间内就能调整完毕,说明电流预测无差拍控制的动态响应速度快,THD =3.78%。无差拍控制保证了对输出电流瞬时值的精确控制,具有良好的稳态性能,而且系统瞬态响应速度快,控制过程无过冲;无差拍控制各参量的采集基于系统状态观察器,对主电路参数变化比较敏感,因而鲁棒性较差;综合来说,无差拍控制具有良好的动态响应特性,该特点非常适合于易受光照、温度等影响而使输出功率变化较快的光伏并网发电系统,因而是目前最适合于光伏并网逆变的控制策略。10 (a 输出电流瞬时值波形(b输出电流有效值波形图4 采用电流无差拍控制的输出波形3 实验结果为了验证上述的算法,本文进行了基于无差拍控制的光伏并网逆变研究,搭建

16、了3.5k W 光伏并网发电系统。控制电路基于T I 公司的T M S320F2812芯片实现,实际工作中需对光伏器件输出电流、电压及电网电压、电流进行采样,经DSP 的AD 转换及数据处理后得到逆变器电流参考信号。图5为依照无差拍控制方法得到的逆变 器输出的电流波形和电网电压波形。试验结果表图5 电网电压和逆变器输出电流波形明,该方法能非常稳定地实现光伏逆变并网。同时使逆变器输出电流能较好地与电网电压保持同步,输出功率因数近似为1,满足并网要求。4 结 语本文介绍的3种控制方法,每一种都有其特点和适用场合,就目前来看,电流滞环控制技术由于开关频率不固定的缺点,无法保证逆变器馈入电网较高的电能

17、质量要求;双闭环PI 控制方式是最为成熟的方法,而且实现起来较为容易,虽然有动态响应速度相对较慢、调整时间较长的缺点,但仍然可以与其他先进的控制方法进行/整合0形成复合控制,取长补短,形成更有效的控制方案;无差拍控制以其良好的动态响应性能和实时控制性,目前来说是并网逆变器的最合适控制方案。=参考文献>1 董密,罗安.光伏并网发电系统中逆变器的设计与控制方法J.电力系统自动化,2006,30(20:97-102.2 张超,王章权,蒋燕君,等.无差拍控制在光伏并网发电系统中的应用J.电力电子技术,2007,41(7:3-5.3 高军,黎辉,杨旭,等.基于P I D 控制和重复控制的正弦波逆变电源研究J.电工电能新技术,2002,21(1:1-4.4 郑诗程,丁明,苏建徽,等.基于重复控制和电压前馈控制的光伏并网发电系统的研究与设计J.电源技术应用,2005,8(2:10-13.5 沈忠亭,