单相光伏并网逆变器控制策略的研究

吴馥云，黄其新，杨正理

（三江学院机械与电气工程学院，江苏南京， 210012）

单相光伏并网逆变器控制策略的研究

吴馥云，黄其新，杨正理

（三江学院机械与电气工程学院，江苏南京， 210012）

光伏并网逆变器是并网发电系统进行电能变换的核心，本文基于单相全桥逆变器选取双极性SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)控制策略，并在此基础上进行了闭环设计。该方法运算简单且便于数字化实现，仿真波形表明该控制策略能够得到高质量的输出正弦波交流电，并且实现与电网的电压同一频频率及同一相角，从而使得系统功率因数近似为1，仿真验证了该方法的有效性。

光伏；并网；单相全桥逆变器；双极性SPWM

0 引言

为了达到能源的可持续发展的目的，世界许多国家都将太阳能发电作为发展的重中之重，在各国政府的政策支持下，光伏产业得到了迅速的发展。在发展应用太阳能发电的道路中，人们过多的把焦点聚焦在了如何提升光伏电池的效率上。但另一个不能忽略的重要问题是，如何设计将电池产生的直流电高效率地转换成交流电的电路，这对光伏产业的发展起至关重要的作用。太阳能光伏发电系统可分为两种模式：一种是独立系统，第二种是光伏并网发电系统，而太阳能利用的主要形式还是光伏并网发电系统[1]。光伏并网发电系统的工作原理是通过控制逆变电路中各个功率器件的通断顺序及时间，实现将光伏电池阵列输出的直流电变换为满足并网条件的交流电并实现并网。光伏并网发电逆变器运行的主要技术难题是如何控制逆变器各桥臂功率器件的工作实现输出正弦交流电（即并入电网的电流）。逆变电路的控制目的是要求并网电流能实时检测到待并电网的电压频率、相位和系统容量的变化并准确的进行跟踪，且还要求并网电流的畸变率要小，使其对电网的谐波影响降低到最小。

本文研究利用反馈型闭环控制方案来实时控制并网电流，经过采样计算得到的并网电流正弦给定值与实际采样得到的电流经过比较器比较后得到差值信号，再经反馈闭环控制环节处理后得到正弦波，该正弦波作为调制信号再与载波比较后得到控制各桥臂的SPWM信号，从而间接的控制使得并网电流的波形为与电网电压同一频率同一相角的正弦波。

1 光伏并网系统电路模型

图1为光伏并网系统主电路拓扑图，将光伏电池阵列用恒流源来代替，电池阵列的电压为UDC。该拓扑的控制目标是使得系统输出的正弦交流电的特性即频率和相位与电网电压的频率和相位基本保持一致。光伏电池可以看成一个恒流源，所以电流大小决定于该电池阵列的功率。图1中T1、T2、T3、T4所在的支路为单相逆变桥的四个桥臂，每个开关管都反并联一个二极管，该二极管起着续流的作用。四个开关管交替工作产生相角差互为180°的SPWM双极性脉冲，再经滤波电感L滤波后得到并入电网u的高质量的正弦交流电。四个桥臂交替工作的过程中后级滤波环节中的滤波电感L上的电感电压出现了正值、负值和零三种情况。这里以待并入电网的并网电流的正半周期为例：当开关管T1、T4导通时，功率由电池阵列流入大电网，此时电感电流方向为图中所示的参考正反向，所以电感电压为正，电感L储能；同理当开关管T1、T3导通时，电感L经T1、D3短路放能，电池阵列给稳压电容C进行充电，电感L上的电感电压为零；当功率开关管T2、T3导通时，加在电感L上的电感电压为负，电感电流从二极管D2、D3续流。同理当并网电流是处于负半周期时，工作原理与上述分析一致[2]。

图1 并网主电路拓扑

2 系统控制原理分析

2.1 SPWM调制方法

光伏并网逆变电路的控制目的是并网电流与电网电压基本实现同频、同相角。于是，获取参考电流并使逆变器的输出为参考值，成为算法的关键所在。不同的控制策略对于电流的跟踪性能是不一样的，目前应用最多的控制方法主要有电流滞环比较和SPWM调制控制方式等。电流滞环控制方式的优点是响应快，硬件电路设计简单，且输出波形中不含有特定高频谐波分量，缺点是它是一种变频控制方式，对后级滤波器的设计带来了难度；PWM(Pulse Width Modulation)控制策略在逆变器当中的应用的最广泛，对逆变器的作用也最为重要。而这两种方式中现在应用的多的大多数都是PWM型的逆变电路。

以正半周期为例，将正弦调制波看成是由N个彼此相连的脉冲，但脉冲顶端是连续的且大小按正弦波变化。根据面积等效原理，可将这N个脉冲利用相等个数的等幅而不等宽但面积相等的矩形脉冲替代，使其中心和对应的正弦波序列的中心重叠，该矩形脉冲序列与上述正弦波序列产生的效果是相同的，这就是SPWM波形。负半周期同理。

根据一个开关周期内脉冲序列是否出现正负两个电位，可将SPWM方式分为单极性和双极性。单极性方式在调制波过零点处的脉冲并不是一个完整的开关周期，不能完全交结，有可能出现三角波的频率不是调制波频率的整数倍的情况。因此本文选择双极性调制，控制方法较为容易实现。

2.2 闭环控制方案的设计

图2 控制框图

光伏发电系统控制目标：幅值方面的要求是并网电流Ig的大小跟随给定的基准值，相位方面的要求是并网电流能准确地跟踪电网电压的初相位，这里提出了如图2所示的控制原理图，将并网电流的参考值I与由锁相环环节分解得到的电网电压 Ug的初相位信号相乘后得到电流参考值Iref，再通过电流闭环控制环节，使得并网电流实时跟踪参考给定值Iref，作为调制波与载波交结后产生 SPMW波驱动S1-S4功率开关管。

如果图2中不加PI环节，系统开环传递函数为：

本文取 RL=2Ω，Tpwm=100μs，L=0.004H，a=45，Kpwm=20。作出系统的频响特性曲线，图3为系统幅频和相频特性的Bode图。从图3可以看出，采用PI控制之前系统的相角裕度小，稳定性较差。

图3 系统逆变环节波特图

在实际的工程案例中，广泛使用的调节器主要为三种：比例、积分、微分控制，即通常所说的PID控制。PID调节器是三种控制方式都用，PI调节器是只有比例和积分环节；和PD调节器是只有比例和微分环节。

加入PI控制环节后，PI调节器的比例常数用KP表示，积分常数用KI表示。为使PI调节器能够消除并网发电系统中的较大的时间常数，可选择

因此，得到控制系统的开环传递函数为：

取开关周期Tpwm=100us，代入上式中得到校正后的开环传递函数为：

闭环传递函数为：

图4 校正后开环系统bode图

图5 校正前后闭环系统的阶跃响应曲线

根据以上公式可以得到加入PI调节器后的开环系统Bode图如图4所示，由图4可以看出，加入PI调节器后开环系统是稳定的，其开环传递函数的相角裕度是65.5302o，满足设计的要求。从图5（a）可以看出，对逆变系统如果不进行控制，则该逆变系统存在原理性的稳态误差，是一个有差系统，而且系统响应时间较长，大约需要11ms才稳定。从图5（b）可以看出加入PI调节后，响应的上升时间约为0.3ms，比开环控制减少了40倍，超调量为4.32%，调节时间为0.85ms，稳态误差为0，系统性能得到了大幅度提高。

3 仿真分析

为了对太阳能光伏并网系统理论分析进行验证，本文采用了功能强大的仿真软件 MATLAB 对系统进行仿真。MATLAB/Simulink功能强大集建模仿真、绘图等于一体，其中的电源系统工具库（SimPowerSystems）为电力系统仿真提供了标准模块。本文在Matlab/Simulink平台上对所设计的系统进行了仿真研究。重要变量的仿真参数设置为：并网电流给定值Ig=13.63A；并网电流最大值Im=20A；电网电压Ug=220V/50HZ；直流母线电压UDC=400V；直流母线电容C=3000uF；输出滤波电感L=5mH；开关频率fS=10KHZ；PI参数KP=1；PI参数KI=10。

根据控制结构图搭建MATLAB仿真模型如图6所示。

图6 双极性SPWM控制逆变器结构框图

图7 输出并网电流和电网电压的比较

仿真结果分析：图7为逆变器的并网电流与电网电压波形，电网电压有效值220V并网电流有效值13.63A，经过滤波器电感L滤波后，得到了正弦度很好的正弦交流电流，与电网电压同频同相，此时，系统的功率因数为1。

4 结论

本文选取了双极性SPWM控制方式。同时，建立了反馈型闭环控制数学模型，根据实际要求计算了PI参数的理论值。该方法能够实现高质量的输出正弦交流电，该正弦交流电与电网电压同频同相。在MATLAB平台上对控制系统进行了建模与仿真，验证了系统设计方案的可靠性与有效性。

[1]徐政,卢强.电力电子技术在电力系统中的应用[J].电工技术学报 .2004,19（8）:23～27.

[2]孔雪娟.数字控制PWM逆变电源关键技术研究[D].华中科技大学,2005.

[3]赵争鸣,陈剑,孙晓瑛.太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术[M].北京:电子工业出版社, 2012.

[4]周德佳,赵争鸣,吴理博等.基于仿真模型的太阳能光伏电池阵列特性的分析[J].清华大学学报(自然科学版).2007,07.

[5]MAO M, YU S, SU J. Versatile Matlab Simulation Model for Photovoltaic Array with MPPT Function [J]. Acta Simulata Systematica Sinica, 2005, 5: 058.

Research on control strategy of single phase photovoltaic grid connected inverter

Wu Fuyun,Huang Qixin,Yang Zhengli
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Sanjiang University, Nanjing Jiangsu, 210012)

The grid connected photovoltaic inverter is the core of electric power generation system can transform, this paper selects the bipolar single-phase full bridge inverter based on SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) control strategy, and on the basis of the closed loop design. This method is simple in operation and easy digital realization, simulation waveforms show that the control strategy can obtain high quality output sine wave alternating current, and the realization of the power grid voltage and the same frequency and the same phase, which makes the system power factor is close to 1, the simulation verifies the effectiveness of the proposed method.

photovoltaic; grid; single-phase full bridge inverter; bipolar SPWM

吴馥云，女，江苏淮安人，助教，硕士，研究方向为电力电子变换技术。