双级式光伏并网逆变系统仿真研究

绪论1.1太阳能发电背景长期以来，人类都在依靠着煤和石油等天然化石燃料，然而随着全球工业化的进程以及人口的增长，化石能源的储备逐渐捉襟见肘，根据权威机构的统计数据来看，按照目前的开采速度，所有已探明化石能源储备综合使用年限仅百余年，就我本人关注比较多的汽车行业来看，从大排量自吸几近退出历史舞台，到小排量涡轮发展如日中天，再到现如今新能源汽车大量涌入市场来看，这俨然就是能源发展史的一个小缩影，由于世界能源的短缺以及环境污染等问题导致人类不得不转而寻找更为清洁的能源。太阳能作为一种储量大、易于获取的新型清洁能源，相比于风力发电的产能不稳定和地理条件受限严重具有异常突出的优势，所以这一产业在近二十年内备受关注。1.2太阳能发电历史通过回顾光伏产业的发展史便能够发现，早在九十年代，欧洲部分国家就已经开始有针对性的对太阳能这种资源加以利用，从某种意义上说，是因为天生的化石能源储量劣势让这些国家不得不主动寻求其他的替代品，以维持自身发展，以当前的眼光来看，早期德国的“2000屋顶计划”以及后来的荷兰“百万屋顶计划”等成功案例[1]，都是极其具有前瞻性的。反观我国，光伏发电起步虽不算是最早的那一批，但是发展的速度是整个世界有目共睹的，早在6年前，我国就已经将原本身为光伏巨鳄的德、意等几个国家斩于马下，跃居成为世界光伏行业前三甲，时至今日随时都有可能坐上头把交椅，能够在业界具有如此辉煌的成绩，不仅仅是由于国家在政策和财力上对于这个行业的大力支持，辽阔的幅员和极为有利的地理条件也给我国的光伏产业发展奠定了扎实的基础。1.3太阳能发电短板然而光伏发电的道路也并非一帆风顺，相信所有对光伏行业有所关注的人都注意到了一个问题，其实不仅仅是光伏行业，这一问题是所有新能源行业当前都存在并且需要尽快解决的，那就是该如何真正实现“电网平价”？那么什么是“电网平价”呢？这是一种能够让可再生能源与传统能源成本一致的全新概念。我们不得不面对的一个窘境就是当前太阳能发电的成本还是比较高的，所以当下亟待解决的问题便是如何降低太阳能的成本，低成本带来的收效是显而易见的，低成本意味着更广泛的应用，更广泛的应用意味着减少对化石燃料的依赖，更好的环境，以及更好的能源独立性。1.4研究本课题的意义本人之所以要选取这个课题进行研究，其中一个很重要的原因就是本人对于汽车行业具有浓厚的兴趣，当前愈来愈多的汽车厂商开始放弃纯内燃机汽车，转而生产混动或纯电动汽车，那么电力势必成为日后汽车行业的能源支柱，然而众多的发电形式中，又数太阳能发电行业最具前景，在日常生活当中，对于太阳能发电的了解基本只能停留于表面，但借着本次毕业设计的机会，本人不仅能够实际动手完成一些工作，同时还能够在老师的指导下对光伏并网发电的整体过程有一个较为清晰的认知，在完成毕业设计的同时能够丰富自己的知识面，对以后的工作也会有一定的实际意义。1.5太阳能发电的系统简介及研究方法光伏发电系统从工作环境可以被分成两种，一种是离网型光伏发电系统，这种无法摆脱蓄电池独立运行，但是根据目前的科技发展水平，蓄电池的寿命成为了这类方式发展的桎梏，注定了当下该方法必然无法成为主流，另一种则是并网型光伏发电系统，光伏并网发电技术是应用在光伏并网发电系统中的一种核心技术，同时也是当前新能源领域近十年以来的一个重要的发展方向，由于其省却了体积巨大且容易损耗的蓄电池，通过一些技术手段将光伏发电系统直接与电网相联接，在经济性和稳定性方面都具有无法挑剔的优势，同时由于世界各国都在有计划性的研究发展该技术，其已成为发达国家发展太阳能发电的主要选择，应用十分广泛。一般来说，人们习惯于将光伏并网逆变系统按照结构分成单级和多级式，但是从某种程度上说多级式系统就可以化简为两级式系统。众所周知，两级式并网系统主要由前级整流环节和后级逆变环节组成，前级电路增加了Boost升压环节，能够将光伏阵列输出的电压升高，后级电路采用全桥逆变，能够满足电流类型的转换需求。并针对前部和后部分别设计独立的控制策略，设计简单，适用范围广泛，且易于实现并网和离网模式的切换，具有单级式并网逆变无法比拟的优势，基于此，本人准备先将MPPT的几种控制方法分别作出分析，具体内容将在下文中将一一呈现，然后选出合适的控制方法，先不予并网，让前级电路独立运行，验证MPPT能够正确工作后，再对几种并网逆变器的优缺点进行比较，为后级选取合适的逆变器和控制策略，同样先令其进行独立运作，待到验证通过后再将二者整合共同运行，并与教材及其他相关文献中的仿真结果进行比对，以验证本人实验的正确性，这样的分析方法能够科学的观察系统的动态变化。2光伏发电部分2.1光伏发电原理光伏发电实质上就是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。太阳能发电模块一般被称为太阳能电池模块，是将太阳能转换为电力的重要组成部分。太阳能模块是由与用来制作电子设备的集成电路的半导体构成的。由于科技创新的推动，现在市面上已经有许多种不同材料的太阳能电池，但是最常见的太阳能电池是由硅晶体制成的。硅晶体被层叠在n层和p层上。光的结晶会引起“光起功率效应”，这也会产生电力。它生成的电能被称为直流(DC)，可以立即使用，也可以储存于电池中。在电力公司供应的家庭中安装的系统中，一个叫做“逆变器”的装置将直流电转换为交流电，这是一种在实际生活中经常应用的标准电力。太阳能发电从过程来看可以区分为直接转换和间接转换两种模式。间接转换方式是通过收集太阳辐射后产生的热能，这种发电模式要依赖热电转化装置，因为在第一环节只是把光能转化成热能，进入第二阶段后，热能才会转化为电能，所以实际上，这一类的发电效率大致与传统的煤电效率相当，且由于前期耗资巨大实在无法撼动技术已经十分成熟的煤电、水电等产业。而真正对传统发电行业产生冲击的是接下来要介绍的第二种光伏发电模式，由于光照投在光电池上会产生电流，而直接转换正是利用了这一特性，然而由于单个光电池产生的电流极为微弱，所以不得不将多个光电池通过一些手段组成阵列以此来达到实际使用的要求，这样一来由于省却了类似前文提及的间接转换的中间环节，将为了发电带来的其他方面的污染降到了最低，同时可以大大的提高电能的转换效率，是当前科技发展水平中最优的太阳能发电解决方案。2.2光伏电池的特性简析查阅大量文献后得到光伏电池工程数学模型如下：I=I对于该公式，Ip为光生电流；Io是二极管的饱和电流；A是二极管的品质因子；q为电荷常量；K为Blotzman常数；T为光伏电池的温度；RS和RSH分别表示光伏电池的串联内阻和并联内阻[2]。2.3光伏阵列前文已经提到过单体太阳能电池的输出能力较低，在实际使用的时候通常无法满足需要。综上所述，为满足实际需求的较大输出，需要将多个太阳能电池进行一定的组合处理。光伏阵列作为人类收集太阳能的一种手段，但其并不能直接担任储能元件，所以就要求必须要给得到的电能妥善安排储存方式或直接输送加以应用。结合（1）式可以推算得光伏阵列的数学模型如下式I=Np∙Ip-Np∙I对于该式，Ns、Np分别表示光伏阵列串和并联的单体光伏电池的个数，但是由于该式是超越方程，所以一般实际应用时不会用到[2]。实际分析光伏阵列的工作特性时一般都利用光伏电池的工程数学模型，具体表示如下：I=I其中，CC2=Isc、Voc、Im、Vm均是光伏阵列的生产商在标准条件下提供的技术参数，其分别代表短路电流、开路电压、最大功率点处电流、最大功率点处电压。3MPPT部分3.1最大功率点跟踪原理太阳能电池的输出特性可以由图3-1表示，从图中的P/V特性曲线不难看出，随着端电压的升高，输出功率会呈现出两种变化趋势，在0~Vp的范围内，功率同端电压呈正相关，而超出这一值后，随即呈负相关，通过以上现象，不难发现存在一个端电压值会使得输出的功率最大，所以在光伏发电系统当中，一个老生常谈的问题就是究竟如何让阵列的运行输出总是能够保持最佳的状态，这就要求光伏阵列并不能总保持一个固定运行点不变，而是应该随着其他的非人为因素不断地改变自身的工况，防止因为非人为因素突变导致的波动影响，而这一不断改变工况的过程，就是本节要解释的最大功率点跟踪。图3-1太阳能电池光伏特性3.2常用MPPT算法分析3.2.1恒定电压法(ConstantVoltageTracking-CVT)根据图3-1不难看出，光伏电池的最大功率点基本都位于一个恒定电压值附近，所以可以将光伏电池的输出电压锁定在一个固定电压值，这样便可以让光伏电池一直保持在最佳的输出工况。这种最大功率点跟踪控制方法就是恒定电压法，也即是：UMPP=kUOC其中，k是比例系数，但比例系数并不是一个固定的值，会根据电池材料的不同而不同，但是一般k的取值大致为0.8；UMPP是最大功率点电压。本方法具有控制简单、快速等优点，但是当环境温度发生改变时，会使得UMPP出现偏移，并且温差越大，跟踪出现的误差越大，所以采用本方法不容易准确的追踪到最大功率点，一般在实际生产中，恒定电压法是不会进行单独使用的，一般会与其他方法配合使用。3.2.2电导增量法(IncrementalConductance)电导增量法将测定光伏电池做功的快慢作为第一考量。该方法的基本原理是，对电导（GG=Ipv/VPpv=VpvdPpvdV1Vpv此处补充一个能够连续提取MPP点的控制算法，如下：Vopt=KG∙其中，Vopt为MPP对应的最优电压，KG是比例增益，∆P根据上方给出的式(7)和式(8)，便可以得到1Vpv∙d则由式(9)就能够分析得到，若电导大于增量电导，那么此时的工作电压会小于最大功率点的电压。如此一来，电导增量法的任务实质上就转变成为了寻找一个工作电压，在该工作电压下，电导是等于增量电导的。综上所述，可得到以下关系：dPpvdPpvdPpv根据比较的结果从而确定接下来电压该要如何变动，这样使得系统总工作在最大功率点，在最大功率点处功率的导数为0（dPpv/dVpv3.2.3扰动观察法(PerturbationAndObservation，P&Q)由于MPPT方法的执行过程是有明确过程可以遵循的，所以所有的MPPT方法都可以采用程序流程图来表示，此处先给出扰动观察法流程图并对其进行简单说明，如图3-2所示。图3-2扰动观察法流程图在光伏领域扰动观察法俨然已不是一个新的名词了，作为复现率极高的一种跟踪方法，在诸多资料中都被提及，在研究这类课题的时候就不得不从本方法的原理开始。扰动观察法的原理如下：不断地给光伏电池电压一个小小的扰动，进而观察此时输出功率的变化，根据输出功率变化的实际情况来确定下次扰动的大小和方向，然后不断的重复以上步骤[4]，以达到光伏电池一直在最大功率点附近来回震荡。但是该种方法也存在一定的缺陷，比如光伏电池在最大功率点工作时，会不断地震荡，影响其输出效率。通过查阅资料，可以归纳出实际上目前的扰动观察法的核心就是改变占空比以实现控制电池运行在最大功率点附近，在将光伏电池接入逆变器之前需要一个Boost电路以升高直流电压，Boost电路的输出电压可以用Uout=U/1－D来表示。当电池在最大功率点附近工作时，可以近似的认为Uout是不变的，那么为了达到控制效果，就需要对占空比D进行变动。通过以上内容，不难发现，实际上扰动观察法的核心是给出一个干扰信号，以此来判定电池组的输出情况如何变化，以此来确定下一个干扰信号该如何给定，将上述过程反复进行，直至光伏电池能够稳定运行在最佳的运行状态。若是出现了dP/dU＞0的情况，就说明了光伏电池工作在最大功率对应电压之下的电压上，这时应该提高电压来靠近最大功率点。如果是dP/dU＜0的情况就代表了光伏电池的工作电压超过了最大功率点电压，应当减小电压以靠近最大功率点。尽管在实际使用时，电导增量法和扰动观察法的使用频率都很高，但是我们不得不承认，是否能够最大限度的节约成本这一问题是值得首先思考的，按照上面分析的结果，在最终能够达成的效果近乎相同的情况下，扰动观察法因其算法上的简便性，在生产生活中更为适用，所以本文选择扰动观察法作为其中一个研究对象。3.3MPPT系统建模仿真3.3.1并网系统结构图3-3双级式单相光伏并网逆变装置结构图本次研究使用的双级式单相光伏并网逆变装置结构图如图3-3所示，其组成结构包括光伏阵列、Boost直流升压电路、单相逆变电路组成。其中，Boost直流升压电路的主要功能有升压和实现MPPT，单相逆变电路承担最终将所发电能并入电网的任务。3.3.2主要参数计算(1)输入电感L1在构建Boost电路时，我认为首先要考虑的是光伏阵列输出电压的波动问题。主要原因有二，第一，若光伏阵列电压突然降低时，控制器只有增大占空比才能够将电压稳定住，然而在实际生产生活所使用的系统中，占空比D一般都会被设有上限，通常实际应用的升压电路占空比Dmax被设置为0.88以下[5]，第二，结合纹波需求，可得以下式子：L1≥UPVUPV代表光伏电池的电压输出，在本论文中UPV的大小为大于150V，此处定为200V；f为开关频率，此处令f=25kHz；∆I表示设计纹波电流，定为3A（纹波电流可由限定条件ΔI≤riImax求得，本文中令ri=0.15，Imax=(2)直流输出电容C2设定输出直流电压纹波为∆V，本文设为2.5V，有如下式：∆V=∆Q经上式，推得C2C2≥I0∆Q表示电荷变化量，I0为输出电流，经计算，最大值为13.6A，T为开关周期，可由之前的开关频率取倒数得到。最后计算得到C2=191μF。出于对抑制纹波和电容储能作用的考量，一般在生产应用当中应选为851μF/200V(3)滤波电感L2设ΔImax用于表示滤波电感电流脉动最大值，通过在网上查阅资料，可知一般ΔImax会取为满功率状态下的额定电流的10%，也即是1.36A。可做如下计算：∆Imax=V对上式进行整理，可得滤波电感L2运算公式如下：L2≥VDC其中，VDC为逆变电路前置电容C2两端的电压，选定为355V，将电力器件的工作频率定为fs=25kHz。运算得到：L2=1.3mH，实际取为5m(4)滤波电容C3在考虑滤波电容的值如何确定时，应当首先将输出滤波器对高频谐波的抑制水平纳入考量范围，一般情况下，滤波器的时间常数都是在5~10倍的高频脉冲周期之间，本次我们取中间值7.5倍进行计算可得：2πL2C3推得：C3=102π运算可得：C3=3.15μF，通过查阅文献，增大L、C的时间常数后能够对输出高频分量的抑制有促进作用，所以实际应用时一般定为10μF[4]3.3.3MPPT模块根据前文说描述的MPPT控制方法，可以利用MATLAB来搭建MPPT仿真模型，图3-4为MPPT控制模块的仿真模型，扰动步长设置为0.001。图3-4MPPT模块结构图MPPT模块是利用扰动观察法进行设计的，结构图可以通过流程图结合对扰动观察法的理解来搭出，扰动观察法的基本流程图已经在前文给出，接下来给出模块的简单讲解：首先模块会收到来自于光伏阵列输出的电压和电流，当电压和电流进入模块之后，会由零点控制模块（Zero-OrderHold）将其变成离散的信号，然后二者通过乘法模块输出功率信号，并不断地将该功率信号与前一时刻输出的功率信号进行比较，以此来调整电压的干扰方向，最终通过占空比的改变以调整系统的运行点。3.4Boost升压电路工作原理及分析图3-5Boost升压电路充电等效模型Boost升压电路又被称为“开关直流升压电路”，其工作过程总体可以分为两个阶段，即充电过程和放电过程[6]，充电时的等效电路如图3-5所示。可以发现，充电时，开关管因为开通是相当于一条导线的，此时来自电源的输入通过电感，此时电感上的流过的电流会以一定的比例呈线性关系升高，当然，这个比例与电感值呈正比，电感会在电流流过的这段时间里持续储存能量。在解释完以上过程之后，线路中的二极管的功能还未做说明，二极管能够通过自身反向截止特性保障电路的运行安全。当电感中储存的能量到达一定的值之后，开关管便会关断。此时等效电路可以用图3-6来表示：图3-6Boost升压电路放电等效模型此时由于电感中的电流不会突变，电感的电流并不会瞬间消失，应当是缓慢的从饱和值降为0。但是由于前方电路已经被断开，可以看到电感此时只能为前方的电容充电，这就导致电容两端的电压升高，当上述过程不断地循环，便可以得到升压后的电压。（以上所有分析均基于理想状态）4光伏发电的逆变逆变器并不能简单的独立于其他设备来制造，其与电路中的任何一个部分都是有或大或小的联系的，一台高效稳定的逆变器能够保障电网的安全运行，所以想要从源头上实现“电网平价”，我们不应当被定势思维所局限去一味地考虑如何高效的收集光能，也应该把眼界放开来，对如何更好地调教和控制逆变器下足功夫。逆变器是用于连接光伏阵列和电网的关键性部件，它的作用是将光伏阵列输出的直流电变换为交流电并向电网注入正弦电流。当需要将光伏阵列并网运行时，应当首要保证不会对电网原有的正常运行状况发生较大的冲击，同时在此基础上尽可能的通过尖端科技的使用，以达到向电网输送尽可能优质的电能资源，为了达到上述目标，对不同的电压等级的电网也要区别对待，例如在功率元件的选择上，小容量低压系统应采用MOSFET，大容量高压系统应采用IGBT，特高压系统一般采用GTO。在实际应用时，一般情况下对逆变器有较多的要求，首先出于安全考虑逆变器应当具有严谨的结构并对选材和制造工艺严格把关，功能上不应当过于单一，要考虑到实际应用场景的复杂性，尽量让逆变器有更多的自我保护手段。其次由于光照与温度等自然条件是人类无法控制并且时时刻刻在发生变化的，光伏阵列也会随之产生不同的输出情况，因此若逆变器的电压耐受范围过小，后续则容易出现许多的不稳定因素。最后，由于的能量传递过程中会不断地损耗，所以应当使得工作的环节在保证稳定运行的同时尽量简化，如此一来可以达到缩减开支并有效提高工作效率的目的。4.1并网逆变器的分类谈及并网逆变器的分类，业界一般把光伏逆变器的分类方式从三方面做出划分，一种是看直流侧的输入电源是电流源还是电压源，如果是电流源，可称为电流型逆变器，电压源为输入电源的则称为电压型逆变器[4]。然而目前使用较多的是电压型逆变器，主要是因为电流型逆变器的结构造成了其具有一些难以避免的劣势，例如体积较大，响应速度慢等。而并网逆变器的另一种分类思路是通过输出控制的类型来分类，即可分为电压控制与电流控制，电网由于电压很高，光伏阵列对其来说是一个影响很小的因素，为了便于分析，可以将电网当做一个无穷大的交流电压源。根据生产经验，并网电压应当与网压尽量相同，且要与其同频同相，这样才能保证并网功率因数为1，对电网扰动最小。而电压控制为了满足上述条件，应引入锁相控制，然而锁相控制有一些难以避免的缺点，比如响应不够迅速且无法精确控制逆变器的输出值，故电压控制一般不被选择。除了以上提到的两种分类方法之外，还可以按照逆变器主电路的拓扑结构来分类，也即是推挽逆变器、半桥逆变器和全桥逆变器[7]。(1)推挽逆变器推挽式逆变器结构如图4-1所示，该逆变器常用的开关管有IGBT或MOSFET，两个开关管分别位列一个DC电源的两侧，并且与一个变压器相配合完成所承担的任务，两个开关管在运行时效上具有同时性，不需要过于复杂的控制电路就能使其完成工作，运行简单可靠。图4-1推挽式逆变器拓扑图推挽电路的主要缺点在于当变压器的DC输出到达一个顶端值时，电路无法对其可靠控制。鉴于以上的缺陷，当整体电压等级较高的时候，这类逆变器是不适用的。同时，这类逆变器更适合在负载的阻抗特性为容性时使用。(2)半桥式逆变器通过观察半桥逆变器的结构图可以发现它的整体结构并不复杂，然而正是因为这样的结构，半桥式逆变器具有一些其他逆变电路所没有的优势，其中一个优势就是即便电路中的电流比较高，它依旧拥有比较好的大电流耐受能力，同时当输出端的实际情况不太理想时，该逆变器依旧可以保证自己稳定作用，而且由于半桥逆变电路控制比较简单，而且使用的元件更少，成本更低，所以在功率较低的场景下经常被使用。综合考量，缺点是在相同的开关频率下，直流侧的电压利用率低并且电网电流的谐波很大。图4-2半桥逆变器拓扑图(3)全桥逆变器全桥逆变器并不是独立于其他逆变器独立存在的一种，其工作时也同样依赖于开关管的组合以实现功能，并且可以从结构图中看到，全桥逆变与半桥逆变是在结构上是具有一定的相似之处的。同时，由于全桥逆变器的自身特性，它常常被应用在对于系统整体功率有较高的要求的地方，但是目前没有任何一款逆变器是能够做到自身条件没有短板的，全桥逆变器同样不可能，例如当前级的电压水平不足时，逆变器是无法很好的进行工作的。图4-3全桥逆变器拓扑图4.2两级式单相光伏并网逆变器分析4.2.1并网逆变器结构及原理如图4-4所示为非隔离型两级式单相并网逆变器的结构拓扑图，该系统由DC/DC变换器和DC/AC逆变电路组成。接下来对该种逆变器的实际工作原理进行说明，可先假设光伏阵列输出的功率为Ppv，逆变并网的功率为Pin，理想状况下，前后两级由于功率不平衡，那么这部分功率便会注入到直流电容器C2当中去。图4-4两级式单相并网逆变器结构拓扑图此时进行如下判断P如此一来，为了维持前后级功率平衡，和电路整体稳定运行，就需要引入整合了控制策略的控制模块来调节逆变器的妥善运行，一般两级式并网逆变系统会有两个控制模块，其中一个位于逆变器的直流侧，一个位于逆变器的交流侧，并且交流侧的控制模块为了更好的协调前后级电路的工作还会从直流侧获取一些运行时的必要的电气量信息。一般直流侧的控制模块的主要工作重心会放在对最大功率点的追踪和对Boost升压电路的控制上，以保证光伏阵列的输出一直都处在最高效的状态，并且为了下一步的并网工作将电压升高到指定值附近，提前做好准备；交流侧的控制模块则主要对逆变器实行控制，承担直交变换和稳定并网的工作。4.2.2并网逆变器的工作过程通过对仿真研究的综合分析，选定本次并网逆变仿真使用全桥逆变器，全桥逆变电路的工作过程的波形图如图4-5所示。由于全桥逆变电路有四个桥臂，故可视为两个半桥电路合并而成。习惯上将桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为一对(其中每个IGBT管都有各自的续流二极管，本文我们将续流二极管命名为VD1~VD4)两组桥臂导通的时间是相同的，但是T1和T2的导通与关断各占90°，T3和T4同理。图4-5并网逆变器工作波形图结合上面给出的电路工作波形图来看：在0～t1期间，VT1、VT4收到的控制脉冲均为高电平，二者开通，此时全控桥的输出电压U0等于直流电压Ud。

在t1～t2期间，VT3、VT4的G极信号方向相反，VT4管截止，而由于VT3未能立即开通，io不会立刻反向，io是逐渐减小最终在t2时才降为0然后继续反向增大。在t2~t3期间，VT1、VT2的G极信号方向相反，VT1管截止，而由于VT2未能立即开通，VD2与VD3导通构成通路，输出的电压U0为-Ud,当负载电流为零并反增时，VD2和VD3就截止了，此时VT2和VT3导通，输出电压U0仍为-Ud。在t3~t4期间，VT3与VT4的G极信号再一次反向，VT3管截止，但VT4管未能立即导通，VD4续流管导通，输出电压U0再次为0。4.3光伏并网逆变器的控制策略[8]上文已经指出了电流型逆变器的短板，且电压控制由于响应动作较慢及输出不准确也被舍弃，故本次仿真采用电压型逆变器辅以电流控制，下面来讨论常见的三种电流控制，众所周知，并网电流控制可以分为直接控制和间接控制，直接控制的核心思想是直接采样交流侧电流后进行反馈控制，而间接控制则有所不同，它所着眼的是能够对输出电感电流产生影响的其他因素，并且对这些因素加以控制，进而达到控制效果。4.3.1滞环跟踪比较控制[9]滞环跟踪控制是一种技术已经相对成熟，模块结构不复杂、系统灵活性高、整体稳定性强的并网运行控制方法，下图是滞环控制系统的拓扑结构图和工作波形图：图4-6滞环控制系统拓扑图图4-7滞环控制系统工作波形图滞环跟踪比较的作用过程就是将指令电流iξ（由于图中使用的是iξ来表示，故本文这样表示，但是习惯上指令电流一般采用i*来表示）与实际输出电流i的差值，也即是iξ-i输入至滞环比较器内，比较器进行处理之后会给出一个输出值以控制逆变器内的器件通断来间接的控制，具体过程为当i>iξ且环宽大于h时，开关管S2及S3开通，逆变器输出电压为-Ud，滤波电感两端电压为负，电感电流呈下降趋势；而当i<iξ，且环宽小于-h时，开关管S1及S4开通，逆变器输出电压为Ud，滤波电感两端电压为正，电感电流呈现出上升趋势。4.3.2三角波比较跟踪控制[10]三角波比较电流控制在各种文献中时常被提及，同时其概念也不仅仅停留在实验阶段，已被大量投入到各种对逆变器控制有需求的场合，下面给出本方法的原理图：图4-8单相三角波比较电流控制原理图经查阅文献，了解到三角波比较电流控制的工作过程为：首先对ir以及if两个量做差，将二者的差值ei送入到PI控制器当中进行处理，再将PI控制器的输出与三角波进行做差，实质上这一过程就是在调节三角波的占空比，这样的系统对指令及反馈信号的偏差具有较好的抑制作用。这类方式一般可定性为带瞬时电流控制的正弦脉冲宽度调制。尽管其起源可以追溯到应用于电压控制的SPWM，但是这种电流控制方法与SPWM在本质上是没有相同点的，因为当用于电流控制的时候会引入电流闭环，逆变器的反馈电流将会影响开关管的导通，并增设电流调节器且对其进行限幅处理。三角波比较电流控制也有一定短板，例如当电流误差的时间变化率大于三角波的斜率时，跟踪效果将会受到影响，若想要获得比较满意的效果则需要使得指令信号的频率和EMF（electromotiveforce）能够在一定范围内匹配。4.3.3PI双闭环跟踪控制[11](1)电流内环控制电流内环能够把并网电流反映出的电气量反馈到前级进行处理，再进行下一步跟踪控制。下面给出电流内环控制框图4-9，将给定的正弦波电流参考值I0与实际并网电流Igrid做差，将所得值传输到PI控制器中进行处理后，由PI控制器输出相对应的SPWM信号，控制逆变桥开关管的通断以达到跟踪网侧电流的目的。框图中，PI表示的是电流内环的控制器，GINV(s)是逆变环节，GT(s)是电流内环系统的开环传递函数[12]。图4-9电流内环控制框图(2)电压外环控制电压外环的主要功能是实现直流母线的稳压控制，本环节的理论依据是功率平衡原理。下面同样给出电压外环的控制框图。图4-10中，PI代表的是电压外环的PI控制器，如果此处不加该控制模块，将会出现跟踪误差，电容电压不稳等情况；GD(s)可以等效为比例积分校正环节，其作用为使得电容能够正常工作；图4-10电压外环控制框图5仿真分析图5-1双级式单相并网逆变电路仿真图前级部分图5-2双级式单相并网逆变电路仿真图后级部分本次两级式单相光伏并网逆变系统仿真本人采用MATLABR2017B来进行实验，光伏电池选择了模块库当中自带的PVArray，由于整体仿真图过大，为了获得更好的观感，将其拆分成前级部分和后级部分，如图5-1、5-2为系统仿真模型。仿真使用的光伏电池的参数如下：参数名称参数数值短路电流Isc/A5.14开路电压Voc/V25.2最大功率点电流Imp/A4.76最大功率点电压Vmp/V21Voc温度系数(%/deg.C)-0.34Isc温度系数(%/deg.C)0.05其他的仿真参数在前文已经计算给出，即：电感L=2.4mH；直流输出电容C2=851μF；滤波电感L2=3mH。仿真时长0.4s，光照强度1000W