光伏并网逆变器的三环控制策略研究.

第38卷第19期电力系统保护与控制Vol.38No.192010年10月1日PowerSystemProtectionandControlOct.1,2010光伏并网逆变器的三环控制策略研究李明,易灵芝,彭寒梅,邓栋,姚哲之(湘潭大学信息工程学院,湖南湘潭410005摘要:在光伏并网逆变系统中,常用的双闭环电流控制会导致系统存在动态响应速度慢或开关频率不稳定的缺陷。鉴于此,提出一种电压外环,电流内环,频率中间环的三环控制方法。通过对整个逆变系统进行深入的理论分析,利用Matlab/Simulink搭建仿真模块进行仿真实验,并搭建1kW的实验平台进行实验分析。实验的结果表明,三环控制下的逆变系统简化了滤波器设计,保证了逆变器输出电流波形质量,使其只含有少量的高次谐波,使系统的输出电流和电网电压同频同向,并网的功率因数接近于1。关键词:三环控制;滞环;光伏;并网逆变器Researchofthree-loopcontrolmethodofphotovoltaicgrid-connectedinverterLIMing,YILing-zhi,PENGHan-mei,DENGDong,YAOZhe-zhi(CollegeofInformationEngineering,XiangtanUniversity,Xiangtan410005,ChinaAbstract:Inphotovoltaicgrid-connectedinvertersystem,traditionaldouble-closedloopcontrolmethodcanresultinthesystemdynamicresponsespeedslowandswitchingfrequencyinstable.Aimingatthat,thispaperpresentsathree-loopcontrolmethod,includingvoltageexternalloop,frequencymiddleloopandcurrentinnerloop.Thetotalinvertersystemisdeeplyanalyzed,simulatedmoduleisconstructedbyusingMatlab/Simulinktomakesimulationexperiment,and1kWtestplatformisestablishedtodoexperimentanalysis.Theresultsshowthattheinvertersystemcontrolledbythree-loopsimplifiesthedesignoffilterandguaranteesthewaveformqualityoftheoutputcurrent,whichmakeitcontainfewhigh-orderharmonics,thesystemoutputcurrentandgridvoltagehavethesamefrequencyanddirection,andthepowerfactorafterinterconnectioncloseto1.ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50977080.Keywords:three-loopcontrol;hysteresisband;PV;grid-connectedinverter中图分类号:TM619文献标识码:A文章编号:1674-3415(201019-0046-050引言能源短缺是当今世界面临的重大问题,研究开发可再生能源发电系统具有重要意义,而太阳能以其可再生性和无污染性,已经成为人类利用自然能源的新焦点[1-2]。作为光伏发电系统中的关键环节,并网逆变器及其控制技术越来越受到关注。逆变器并网发电运行的主要控制问题是逆变器输出正弦波电流(即并网电流控制技术,要求并网电流能实时跟踪电网电压频率、相位和并网容量给定的变化,且电流的总畸变失真要低,以减小对电网的谐波影项目基金:国家自然科学基金资助项目(50977080;教育部教育研究课题(2009-ZX-052;湖南省第二届大学生研究性学习和创新性实验计划项目响。目前比较常用的电流控制方式有SPWM电流控制[3]、滞环电流控制[4-5]、三角波电流控制[6]、空间矢量控制[7]。其中滞环控制是一种闭环电流跟踪控制方法,它具有动态响应速度快、峰值自动限制、不依赖负载参数和无条件稳定的优点,因此获得广泛的应用和发展。但滞环电流控制也存在开关频率不固定的缺点,使得逆变桥输出频谱分布广泛,并网滤波器设计很困难。本文提出一种三环控制策略,实质上就是一种准恒频电流滞环控制,它在传统的电压电流双闭环控制的基础上加上一频率闭环,通过一模拟开关使开关频率稳定在一固定值,简化滤波器的设计难度,不会影响到常规的最大功率跟踪(MPPT及功率开关管的控制,从而提高并网逆变系统的性能和效率。李明,等光伏并网逆变器的三环控制策略研究-47-1光伏并网逆变器电流滞环控制原理1.1传统逆变器并网系统图1所示为单相逆变器并网原理图。直流源DC可为太阳能电池组件,逆变器负载为公共交流电网(220V/50Hz,电感电流Li即为并网电流i(ABs1diuetL=−∫(1式中:ABu为逆变器输出电压;se为电网电压。图1传统单相并网逆变器原理图Fig.1Grid-connectedsingle-phaseinverter在并网系统中,因为电网电压是固定的,所以可控制量只有并网电流。滞环控制应用于控制逆变器并网电流,易于实现对电网电压频率和相位的实时跟踪,响应迅速且稳定性好。采用滞环调制策略的控制系统如图2,有相位检测环节得到的同步信号与并网电流幅值给定一起送正弦波发生器,生成与电网电压同频同相的参考电流信号*i,在经滞环比较器对并网电流反馈信号i与*i偏差进行调制得到开关管控制信号。图2传统并网系统控制原理图Fig.2Traditionalcontrolschematicofgrid-connectedinverter1.2滞环电流控制原理图3是滞环电流控制原理图,*i是电网电压同步的参考电流,i是逆变器送入到电网中的实际电流,h是滞环比较器的半环宽。其工作原理为:将*i与i相比较,把差值*ii−送入到置换比较器。当*||iih−≥时改变功率开关的状态。当*i处于正半周期,假设S1、S4导通,则dcAB2Uu=,将dcs2Ue−(se为电网电压,如图1加在电感L上,通过L上的电流i增大,直到*iih−≤−时开关状态改变,S2、S3导通,则dcAB2Uu=−,将dcs2Ue−−加在电感L,通过L上的电流i减小,直到*iih−≥时,开关状态再次改变,如此反复,送入到电网的电流i以2h的环宽跟踪指令电流*i。02040-20-40-603i/At/msi*+hi*ii*−h图3滞环电流控制原理图Fig.3Principleofhysteresiscurrentcontrol2三环控制并网逆变器建模三环控制的原理实质上就是在传统的电压电流双闭环的基础上增加了一频率闭环,即电压外环、电流中间环、频率内环,其控制的核心仍然是并网电流的滞环控制,利用电压外环跟踪电网电压的相位,提供给指令电流;利用频率环控制滞环的宽度变化,从而使功率开关基本上维持恒定,简化并网侧滤波器的设计难度,最终提高并网逆变系统的性能。从图1中不难分析逆变桥路输出电压为ABsddiuRiLet=++(2从图4可以看出,逆变桥路输出电压波形为一周期为sT、幅值为dc2U±的PWM方波序列,在一个开关周期中,幅值为dc2U的时间为pT,幅值为dc2U−的时间为nT。瞬时电流误差为*iiδ=−(3令参考电压为*u,则***sddiuRiLet=++(4由式(2~(4可推导出*ABddLRuutδδ+=−(5滞环电流控制的目的就是要将电流误差控制在2h以内(后文中用H表示2h。在一般情况下,忽略逆变器交流侧的电阻R,且当开关频率远大于电网频率时,可以近似认为一个开关周期中电网电动势se恒定不变,这样电流误差δ按线性规律变化-48-电力系统保护与控制(如图4所示。图4滞环控制的波形图Fig.4Thewaveformgraphofhysteresiscontrol若令se的标幺值ne为sndc2eeU=(6则有s2dcn8(1hLTUe=−(7nps12eTT+=(8nns12eTT−=(9由式(7分析,若滞环环宽H恒定,而ne变化,则PWM开关周期sT一定变化,因此要使得开关频率固定不变,则调制周期必须不变,令srTTc==,这样2dcrn(14UTHeL=−(10显然,控制H,则可以保持srTT=,可以引入闭环控制,故设计一个跟踪给定频率时钟的锁相环控制系统,从而达到固定频率控制要求,控制框图如图5所示。图5三环控制原理框图Fig.5Principlegraphofthree-loopcontrol当给定一个固定频率的时钟信号时,锁相环控制不仅确保了固定开关频率控制,而且控制了输出电压脉冲序列与时钟脉冲序列间的相位差,从而使输出电压脉冲序列能跟踪时钟脉冲序列,并使两者相位差最小,这种跟随控制的精度取决于锁相环增益的大小。滞环电流控制具有非线性特征,可以采用微偏线性化的方法进行系统分析。对于式(7,开关频率ssf=,则2dcns(14UefHL−=(11综合式(8~(11,开关频率sf对滞环环宽H之间微偏增益为2dcn2d(1d4fHUfGeHLH≈≈−−(12当锁相环稳定控制时,若开关频率被锁定在srrffc===时,式(12变为rfHfGH=−(13式(13说明,当开关频率被锁相环锁定后,增益fHG将随H的变化而变化,这将对锁相环的控制稳定性产生影响,因此如何补偿因滞环宽度H变化带来对增益fHG的变化成为三环控制的关键。设锁相环的系统增益为PG,在锁相环系统中,相位检测环节可看成是一个积分环节,其传递函数可表示为d2π(dfGsfsϕϕ==(14若相位调节器采用PI调节,即P1(sGsKsϕττ+=(15式中:PK是比例增益;τ是超前时间常数。当锁相环稳定工作时,其锁相环系统增益为P(((fHfGsGGsGsϕϕ==rP212πfsKsHττ+i(16对于式(16,若能自动变化PK,使PKH维持不变,则锁相环系统增益PG将不随宽度H的变化而变化,从而使系统能稳定地运行。要使PKH不变,关键在于对滞环宽度H的估计。假设周期为rT的调制信号所对应的滞环宽度为*H,而周期为T的调制信号所对应的滞环宽度李明,等光伏并网逆变器的三环控制策略研究-49-为H,利用式(10可以得到*rrTHKTHHTKT==(17若使PI调节器中PK随*H变化,即*PPHKKKH=(18当*H估计精度足够高时,将*HH=代入式(16中,得*PPr21(2πHSGsKfKSττ+=(19式中:PK,HK均为定值,因而锁相环控制增益将不随滞环环宽H的变化而变化,从而最终使开关频率稳定在rf。3仿真结果与分析利用Matlab/Simulink分别对基于传统双闭环控制和本文提出的三环控制进行了单向全桥光伏并网逆变器的仿真和分析。仿真参数如下:直流母线电压150V,输出交流并网电流峰值为22A,频率为50Hz,滤波电感为0.8mH,开关频率为4000Hz。图6(a是基于本文提出的三环控制下光伏并网逆变器的输出电流波形图6(b是基于传统的双闭环滞环控制下并网逆变器的输出电流波形,从图中可以看出三环控制能更好地使并网逆变器跟踪参2520151050-5-10-15-20-2500.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04t/si/A(a三环控制下的并网电流波形2520151050-5-10-15-20-2500.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04t/si/A(b传统双闭环控制下的并网电流波形图6两种控制策略下的并网逆变器输出电流