光伏并网逆变器控制策略的研究

任宁波

特变电工西安电气科技有限公司 陕西省西安市 710000

摘要：作为光伏阵列、电网接口常用的设备，并网逆变器控制技术如今成为业界的研究方向。为了确保光伏阵列将最大的电能馈入电网中，使系统在安全的状态下运行，需探索和运用科学的控制技术和措施。基于此，本文介绍了光伏并网逆变器的结构与分类，并探讨了它的控制策略。

关键词：光伏并网逆变器；控制；策略

1 光伏并网逆变器的分类

1.1 光伏逆变系统的结构

结构上看，光伏逆变系统涵盖了DC/AC逆变器、变压器、DC/DC转换电路以及控制器等部件。光伏逆变器最大的功能，在于将光伏组件释放的直流电替换为交流电，其关键部件为电子开关电路，也就是逆变器。当功率场合不一样时，我们也要选择针对性的主开关器件。若功率偏大，建议三相IGBT功率模块；若功率偏小，可改为场效应晶体管。电子开关器件（MOSFET、IGBT等）的正常通断，需借助驱动脉冲进行控制。正因为此，在对脉冲进行调控的过程中，控制器也可以控制逆变器的实际输出，使其符合并网需求。

2.2 光伏逆变器分类

关于变器，我们可以从多个方面进行划分。结合主电路的不同形式，将其划分成单端式、推挽式、半桥式以及全桥式逆变器。按照有无变压器，将其划分成隔离型、非隔离型逆变器；按照主开关器件类型，将它划分成晶闸管、晶体管、场效应管以及绝缘栅型双极晶体管（IGBT）逆变器这4种；按照逆变控制的不同方式，又可以将它划分成调频式（PFM）以及调脉宽式（PWM）逆变器。在本文中，我们结合直流侧光伏组件的差异（功率不一样），同样也对光伏逆变器做了划分，包括集中式、组串式以及组件式逆变器。

2 光伏并网逆变器控制策略

2.1 并网逆变器控制原理的分析

并网控制原理：控制和调节逆变器实际的输出电流矢量，以便对并网、网侧有功、无功等进行全面控制。并网逆变器交流侧及其相关稳态矢量，见图1。

图1 逆变器交流侧相关稳态矢量的关系

从图1中看出，Us 代表的是电动势矢量，Ui 代表的是交流侧电压矢量，UL 代表的是两电感电压矢量和，I代表的是输出电流矢量。针对工频隔离变压器，其比例为1:1，由于变压器的输入、输出功率是一致的，故可判断它们在两端上的电压也是一样，并网电流is 、电流iL3 同样也是一致的。电容设计，其目的在于抑制和减小逆变器高频谐波，它的设计值相对来说偏小，流过电容时产生的电流(故电流I可理解为流过电感L2 显示的的电流矢量)完全可以忽略，包括交流侧电感实际的等效电阻也是可以不考虑的，则：

并网控制的思路和基本原理：结合并网控制预先设定的电网电压、输出电流矢量，我们可以得出输出电流矢量I，再按式(1)、式(2)，计算出交流侧对应的电压矢量Ui'：

Ui 信号相较于三角波，可驱动整个开关管。如此，逆变器也将实现真正的并网控制。

2.2 光伏并网逆变器的控制系统设计

结合并网控制原理，逆变器系统应当控制直流母线稳压、电流以及锁相这几个参数。电压环，实质上是将母线电压参考值Udref 、电压Ud 二者的误差设定为电压环PI，同时将PI 输出量认定为电流参考值幅值Iref ，它的目的在于平衡直流母线上的电压。电流环，于是又将Iref 乘以正弦信号sin(ωt)得到的积数当做是电流参考信号iref (这里的正弦信号，是根据数字锁相环进行计算)，以确保并网电流能够和电压保持真正的同频同相。而电流参考信号减去电流采样值后得到的误差信号，同样也会流经电流环 PI。PI输出量加上并网电压，相较于三角波，经PWM发生器再次对SPWM进行输出，就可以驱动H逆变桥，达到电流控制之目的。

2.3 光伏并网逆变器控制系统的分析

为符合控制系统预期的目标，我们在这里运用SPWM电流瞬时值跟踪技术，逐步对并网电流实施了控制，其动态结构见下图2。iref 代表了电流给定信号，i 代表了反馈点电流，Us 代表了电网电压，β代表的是采样电路上得到的比例系数，GIC (s ) 代表的是PI调节环节，GINV (s )代表的是逆变环节，GT (s)为滤波环节，Gn (s)则代表的是前馈环节。

图2 SPWM电流瞬时值跟踪控制系统框图

2.3.1 PI 调节环节

在PI调解环节，有个传递函数，见式(4)，Ti 代表了它的积分时间。

2.3.2 逆变环节

本设计中，SPWM最终选取了单极性调制。正因为此，由调制器输入直至逆变器输出二者的传递函数，带入式(5)。一旦控制信号中途改变了，输出端口电压也要等进入下个周期后才可能会有改变。所以，我们可将PWM控制、逆变器理解为滞后环节，1个开关周期是它最大的延时。根据上述两点，逆变环节及其传递函数，如式(6)。

Usin (s)代表的是正弦波调制信号；Utri 代表的是三角波载波信号；KPWM 代表的是调制器输入直至逆变器输出中间的一个传递函数。以泰勒级数为准，将GINV (s )延展开来，不考虑高次项，则得到全桥逆变环节如下对应的传递函数:

2.3.3 滤波环节以及反馈点的选择

考虑到is =iL3，故将iL3 当做是电网电流最终的反馈。对T型滤波器来说，它的传递函数：

式(8)里面的R代表的是C串联电阻，由式中得知，三阶系统才是真正的受控对象，此时的带宽也有较多的限制。另外，逆变器、T型滤波器各自的输出侧电流iL2 、iL3都是一个可控值。所以，本文最终将电流反馈点安排在了逆变器输出侧。该情况下，在侧输出电流上，T型滤波器对逆变器得到如下的传递函数:

将如下参数：L2=5.5mH，L3=2 mH，C=2 μF，R=5Ω 依次代入到上式(9)，利用Matlab仿真软件编制出了iL3相对于iL2 的一副伯德图。从中得知，在低频段，iL3和iL2 二者在相位、幅值上大体是相似的。所以，我们将受控点确定为逆变器输出侧，这种策略也是合理的。

3 仿真结果

结合并网要求以及光伏逆变器各项基本的技术指标，我们得出了系统的仿真参数：逆变器直流侧输入电压Ud=400V。文献[3]实质上也阐明了T型滤波器各项参数该如何计算，并得出L2 =5.5mH、L3 =2mH、C=2μF、5R=Ω；而变压器变比同样也是1:1；电压有效值220V AC50Hz；另外三角载波频率fs =20kHz；PI控制参数：Kp =2.78，Ki =278。考虑到本文的研究对象在于逆变器输出端并网控制技术，并未涉及到直流母线稳压。因此，电压外环暂不考虑，仅推导出电流参考幅值Iref ，当Iref =6.427A，即符合系统的额定需求。按照上述方案以及仿真参数，我们在Simulink环境下成功建立了这组仿真模型。基于额定状态，分别绘制出电网电压Us 、并网电流Is 波形。以并网电流0.2s为准，选取其中5个周期显示的波形进行分析，如图3。

图3 电网电压和并网电流的仿真波形

图4 并网电流谐波分析

从图3、4就能看出，引入电网电压前馈，将其与电流PI进行结合，同时搭载SPWM瞬时值跟踪技术，便可绘制出正弦度相对理想的一个并网电流波形，使电压、并网电流真正做到了同频同相。除上述外，它可以成功地抑制并网电流谐波。从图4显示，THD=1.49%，它的电流质量相对较好，符合并网要求。

结束语

本文介绍了光伏并网逆变器的相关控制原理，基于逆变器建立了控制模型，并由此推导出各个控制环节上对应的传递函数模型，提出以电流PI控制为主，以电压前馈控制为辅的控制策略。根据Matlab仿真结果，验证该控制策略是稳定、可靠的。

参考文献：

[1]易映萍, 刘刚, 胡四全. 20kW三电平并网变流器主电路参数的设计[J]. 电力系统保护与控制,2018, 38(20): 193-195, 200.

[2] 孙元岗, 李宏, 石文龙. 基于模糊滞环空间矢量的变换器控制策略[J]. 电力系统保护与控制,2015, 43(8): 69-73.