两级式并网逆变器分时复合控制策略研究

房玲+章建峰+樊轶

摘 要： 针对光伏发电系统中的两级式并网逆变器，采用了一种新型的分时复合控制策略。首先详细分析了分时复合控制策略的基本工作原理，该方法可以使得前后两级电路交替进行高频开关工作，从而有利于减小损耗；在此基础上，对分时复合控制策略下的入网电流控制环路进行小信号建模，并给出了相应的控制环路参数设计，以保证具有良好的稳态和动态性能；最后搭建了一台1 kW实验样机并进行实验验证。实验结果表明所采用分时复合控制策略的可行性和有效性。

关键词： 两级式； 并网逆变器； 分时复合控制； 电流控制

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）15?0112?05

Research on time?shared compound control strategy for two?stage grid?connected inverter

FANG Ling1， ZHANG Jianfeng1， FAN Yi2

（1. CSIC No. 704 Research Institute， Shanghai 200031， China； 2. NARI Technology Co.， Ltd.， Nanjing 211106， China）

Abstract： A novel time?shared compound control strategy is presented for two?stage grid?connected inverter in photovoltaic power generation system. The working principle of the strategy is analyzed in detail. This method can make the two stages work with high?frequency switching alternately， which is helpful to decrease power losses. On the basis of the method， the current control loop under time?shared compound control strategy is conducted small signal modeling. The parameter design of relevant control loops was presented to ensure better steady state performance and dynamic performance. The 1 kW experimental prototype was constructed and verified by experiments. The experimental results demonstrate that time?shared compound control strategy has feasibility and validity.

Keywords： two?stage； grid?connected inverter； time?shared compound control； current control

0 引 言

近年来，环境污染和能源短缺问题日益严重，可再生清洁能源的开发与利用得到越来越多的关注，太阳能由于其分布广泛、方便直接利用等特点得到广泛应用[1]。根据光伏发电系统与电网的关系，光伏发电系统可分为离网型和并网型两类[2]。在并网型光伏发电系统中，并网逆变器作为能量变换的核心部分，对于入网电流质量、变换效率、系统成本以及安全性能等方面都具有重要的影响。在中、小功率等级系统中，两级式并网逆变器以其拓扑简单、效率高及造价低等优势而被广泛应用[3]。

就两级式并网逆变器的控制而言，目前常见的控制策略主要有传统型控制[4]和新型PCS（Power Conditioning System）控制[5]等。文献[4]详述了传统型控制策略，其中前级实现最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT），后级实现并网电流控制。该控制方案通过母线电容实现前后两级的控制解耦[5]，但较大的母线电容会增加系统的体积和重量。文献[6]提出了一种新型PCS控制策略，该控制策略通过后级实现MPPT，不需要采样光伏阵列的输出电压和电流，可以简化采样电路，但其控制系统较为复杂。文献[7]针对两级式并网逆变器提出了一种分时复合的控制策略，即在任意时刻，系统中开关管仅只有一部分进行高频开关工作，另一部分处于工频开关或者不工作的状态。这种控制方法可以在一定程度上减小开关器件的损耗，有利于提高系统的整体效率。

为了实现光伏并网逆变系统高效运行，本文采用新型分时复合控制策略。文中详细分析了分时复合控制策略的工作原理，并对该控制策略下的入网电流控制环路进行了详细的建模分析与环路设计，最后通过一台1 kW原理样机进行实验验证。实验结果表明，采用分时复合控制策略可以有效地实现并网电流的控制并提高并网逆变系统的效率。

1 分时复合控制策略原理

1.1 系统结构

图1所示为分时复合控制并网逆变器拓扑结构图，其由前级Boost斩波电路和后级全桥逆变电路两部分构成。其中：[Lb，][Qc]和[Dc]构成Boost电路；[Q1～Q4]构成全桥逆变电路；[Cdc]为中间母线电容；[Lf]为并网滤波电感；[Db]为旁路二极管。

图1 分时复合控制并网逆变器结构

1.2 分时复合控制工作原理

根据输入直流电压Vin与网侧电压绝对值[vAC]之间的关系，系统可以工作在“Boost”和“Buck”两种模式。当[Vin

图2 分时复合控制门极驱动时序图

（1） “Buck”工作模式

当Vin>[vAC]时，系统工作在“Buck”模式，前级Boost电路被Db旁路，光伏阵列功率直接经过[Db]向后级传输。同时，后级全桥逆变电路采用单极性SPWM调制方式，调制出图2中[AB]和[CD]两段并网电流波形，其中功率管Q1（Q3）工作在工频开关状态、Q2（Q4）工作在高频开关状态，具体而言，即在电网电压vAC的正半周，功率管Q1保持导通、Q2（Q3）保持关断、Q4高频开关；相反地，在电网电压vAC的负半周，功率管Q3保持导通、Q1（Q4）保持关断、Q2高频开关。与传统控制方法相比，在此阶段内前级Boost电路的开关和导通损耗均不复存在，前级电路仅有旁路二极管[Db]的导通损耗，从而有利于系统效率的提高。

（2） “Boost”工作模式

当Vin<[vAC]时，系统工作在“Boost”模式，前级Boost电路中功率管Qc工作在高频开关状态，并调制产生图2中BC段的并网电流波形；同时，后级全桥逆变电路中功率管Q1～Q4均工作在工频开关状态。具体而言，即在电网电压vAC的正半周，功率管Q1（Q4）保持导通、Q2（Q3）保持关断；相反地，在电网电压[vAC]的负半周，功率管Q2（Q3）保持导通、Q1（Q4）保持关断。因此，在“Boost”工作模式下，仅有Qc在高频开关，从而可以极大地降低整个系统的开关损耗、提高系统效率。

由上述分析可知，相较于传统控制方法而言，本文所采用的分时复合控制方法，可以使得前后两级电路交替进行高频工作，从而有利于减小开关损耗；同时，在“Boost”模式下前级电路的输出电压为部分正弦波，即不需要很大容量的母线电容来保证母线电压的恒定，因此可以采用体积较小的薄膜电容代替电解电容。

2 分时复合控制策略下的并网电流控制

2.1 “Buck”工作模式环路分析与设计

在“Buck”工作模式下，不考虑[Db]时，图1所示系统在一个开关周期内的等效电路如图3所示，其中后级逆变电路采用单极性SPWM调制。

图3 “Buck”工作模式下不考虑Db时的等效电路

根据图3所示等效电路，采用状态空间平面法列写其状态方程，同时利用拉普拉斯变换，可以得到[d（s）]到[iLf（s）]的传递函数：

[iLf（s）d（s）=s2CdcLbVc+s（CdcR1Vc-LbDiLf）+Vc-DR1iLfs3CdcLbL2+s2（CdcR1Lf+CdcLbR2）+s（Lf+CdcR1R2+LbD2）+R2+D2R1] （1）

求解式（1）中分子对应的方程可以得到两个实部为正数的根，即存在两个右半平面零点，此时系统为非最小相位系统。

若考虑Db，则系统在一个开关周期内的等效电路如图4所示，同样列写状态平均方程，可以得到此时[d（s）]到[iLf（s）]的传递函数为：

[iLf（s）d（s）=VinsLf+R2] （2）

由式（2）可知，此时系统为一阶系统。因此，在“Buck”工作模式下，跨接的旁路二极管不仅可以减小损耗，还可以显著简化系统补偿环节的设计。

图4 “Buck”工作模式下考虑Db时的等效电路

图5给出了“Buck”工作模式下的电流环控制框图。其中：[Gbuckc（s）]为电流环补偿环节；[GPWM=1Vm]为PWM环节传递函数；[Gbuck（s）]为式（2）所示的系统传递函数。同时，考虑到信号采样存在且SPWM调制存在滞后，故需要增加相应的惯性环节。

按照典型I型系统设计补偿环节，取[Tli=LfR2，]则可抵消传递函数的极点，增大系统相位裕度、提高系统稳定性。由此可得系统的开环传递函数：

[Gbucko（s）=Vin?GPWM?KlpLf?s?（1+Ts?s）] （3）

图5 “Buck”工作模式下的简化控制框图

由式（3）可求得闭环传递函数为：

[Gbuckl（s）=ω2ns2+2ζωns+ω2n] （4）

式中：[ωn=Vin?GPWM?KlpTs?Lf；][ζ=12LTs?Vin?GPWM?Klp]。

根据二阶系统最佳整定法[10]，选取系统阻尼比[ζ=]0.707，可以得到：

[Klp=Lf2Ts?Vin?GPWM] （5）

从而得到简化后的电流环闭环传递函数为：

[Gil（s）=12Ts?s+1] （6）

式（6）表明，将“Buck”模式下的电流环按照典型I型系统设计之后，其闭环传递函数可以近似为一个惯性环节，即当开关频率[fs]足够高时，所对应惯性[Ts]越小，系统动态响应越快。

2.2 “Boost”工作模式环路分析与设计

“Boost”工作模式下系统在一个开关周期内的等效电路如图6所示，同理可以得到[d（s）]到[iLf（s）]的传递函数，见式（7）：

由式（8）可以看出，在“Boost”工作模式下，采用间接电流控制方法时，系统传递函数不存在右半平面零点，从而有利于系统补偿环节的设计。

图7给出了“Boost”工作模式下的电流环控制框图，其中，Gboostc（s）为电流环补偿环节，选用PI调节器，[Gboostc（s）=K2p+K2is，][K2i=K2pT2i；][GPWM=1Vm]表示PWM环节传递函数，[Vm]为三角载波的幅值；[Gboost（s）]为“Boost”工作模式系统传递函数：

[Gboost（s）=iLb（s）d（s）] （9）

补偿前，系统在[fp0=]6.19 Hz处存在一个极点，在[fp1，2=]1 kHz附近存在一对共轭极点。为了防止由共轭极点引起的谐振峰多次穿越0 dB线导致系统不稳定，选取截止频率[fc=]2.5 kHz，并且满足：

[Gboostc（fc）=1Gboosti（fc）] （10）

图6 “Boost”工作模式等效电路

图7 Boost”工作模式简化控制框图

同时，将补偿环节的零点[fzc]放置在原系统的低频极点处，以保证系统以-20 dB/dec穿越0 dB线：

[fzc=12π?T2i=fp0] （11）

补偿前后的开环传递函数如图8所示，补偿后系统的直流增益较高，故系统的稳态误差较小；开环传递函数的截止频率为2.5 kHz，系统相角裕度为43°；高频段以-40 dB/dec斜率下降，故系统抗高频干扰能力强。由上述分析可知，经过补偿后，“Boost”模式的电流环具有良好的动态和稳态性能。

图8 “Boost”工作模式电流环幅频、相频特性

3 实验分析

为验证以上分析，搭建了1 kW并网逆变器样机，进行了实验研究，具体电路参数如表1所示。

表1 两级式并网逆变器相关参数

[名称＼&数值＼&名称＼&数值＼&直流源电压（Vin） /V＼&300＼&网侧电压（VAC） /V（rms）＼&220＼&输入侧电容（Cin） /mF＼&1.36＼&母线电容（Cdc） /μF＼&10＼&Boost电感（Lb） /mH＼&1.2＼&滤波电感（Lf） /mH（×2）＼&1.5＼&开关频率（fs） /kHz＼&20＼&并网功率（Po） /kW＼&1＼&功率器件 Qc，Dc，Q1～Q4，D1～D4＼&FZ06BIA045FH

集成模块＼&数字控制

芯片DSP＼&TMS320?

F2808＼&]

图9～图11分别给出了分时复合控制下的各功率管驱动波形、Boost电感电流波形[iLb、]母线电容电压波形Vbus以及逆变桥臂中点电压波形VAB。由图中实验波形可以看出，系统工作于“Boost”模式时，并网电流由Boost部分高频斩波生成，并且桥臂间电压和母线电容电压分别为并网电压及其绝对值；系统工作于“Buck”模式时，后级全桥电路进行单极性SPWM调制，输入侧能量由Boost部分的旁路二极管向网侧传输。因此，对应Boost电感电流值为0，母线电容电压即为逆变系统输入电压150 V，桥臂间电压为高频切换的矩形波。

图9 功率管驱动电压实验波形

图10 输入电感电流及母线电压实验波形

图12所示为分时复合控制下的逆变器并网电压和并网电流实验波形。由图中波形可以看出，并网电流[ig]和电网电压[vg]能够保持相位一致，并网质量良好；同时，“Buck”和“Boost”两种工作模式平滑切换，在切换点处并网电流振荡幅度较小。

图11 桥臂间电压及输入电感电流实验波形

图12 分时复合控制下并网电压、电流实验波形

上述实验波形与理论分析结果一致，表明了本文分时复合控制策略的可行性和有效性。

在输入电压为150 V时，逆变器效率随并网功率变化的曲线如图13所示。作为对比，图13中同时给出了传统控制方式下效率曲线。由图中结果可知，在分时复合控制策略下，逆变器在整个负载范围内达到了较高的效率，最高效率约为96.8%，且整体效率优于传统控制方式。

图13 效率曲线

4 结 论

详细分析了一种应用于两级式并网逆变器的新型分时复合控制策略，理论分析和实验结果表明：分时复合控制下前后两级电路交替进行高频工作，从而有利于减小开关损耗；母线电压不需要稳压，可以有效减小母线电容；“Boost”和“Buck”两种工作模式之间可以自由平滑切换，并网电流质量良好；分时复合控制下系统可以获得较高的效率，且整体效率优于传统控制方式。

参考文献

[1] 吴理博.光伏并网逆变系统综合控制策略研究及实现[D].北京：清华大学，2006.

[2] MOOSAVIAN S M， RAHIM N A， SELVARAJ J. Photovoltaic power generation： A review [C]// 2011 IEEE First Conference on Clean Energy and Technology. Kuala Lumpur： IEEE， 2011： 359?363.

[3] SCHIMPF F， NORUM L E. Grid connected converters for photovoltaic， state of the art， ideas for improvement of transformerless inverters [C]// 2008 Nordic Workshop on Power and Industrial Electronics. [S.l.]： IEEE， 2008： 16?22.

[4] 马琳.无变压器结构光伏并网逆变器拓扑及控制研究[D].北京：北京交通大学，2011.

[5] CIOBOTARU M， TEODORESCU R， BLAABJERG F. Control of single?stage single?phase PV inverter [C]// 2005 European Conference on Power Electronics and Applications. Dresden： IEEE， 2005： 1?10.

[6] BAE H S， PARK J H， CHO B H， et al. New control strategy for 2?stage utility?connected photovoltaic power conditioning system with a low cost digital processor [C]// 2005 IEEE Conference on Power Electronics Specialists. [S.l.]： IEEE， 2005： 325?330.

[7] OGURA K， NISHIDA T， HIRAKI E， et al. Time?sharing boost chopper cascaded dual mode single?phase sinewave inverter for solar photovoltaic power generation system [C]// 2004 IEEE 35th Annual Conference on Power Electronics Specia?lists. Germany： IEEE， 2004： 4763?4767.

[8] LEE J Y， AHMED N A， SHU K Y， et al. High efficiency power conditioner using bypass diode assisted sinewave pulse modulation Boost chopper?fed Inverter with electrolytic capacitor?less DC link [C]// Proceedings of 2005 the 8th International Confe?rence on Electrical Machines and Systems. [S.l.]： IEEE， 2005： 959?964.

[9] AHMED N A， LEE H W， NAKAOKA M. Dual?mode time?sharing one?stage single?phase power conditioner using sinewave tracked soft switching PWM boost chopper [C]// 2005 IEEE Conference on Industry Applications. [S.l.]： IEEE， 2005： 1612?1617.

[10] 徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].北京：机械工业出版社，2005.

[11] 吴卫民，耿后来，耿攀.单相分时复合并网逆变器新型间接电流控制方法[J].中国电机工程学报，2010，30（36）：65?70.

[12] STALA R， STAWIARSKI ?， SZAREK M. Single phase grid?connected PV system with time?sharing modulation and PI?type regulators for DC?DC boost converter and full?bridge inverter [C]// 2010 14th EPE International Conference on Power Electronics and Motion Control. [S.l.]： EPE， 2010： 1268?1275.