光伏发电并网系统逆变器瞬时值控制方案的仿真研究

王青林，陈宏涛（辽宁省交通高等专科学校，沈阳　110122）

光伏发电并网系统逆变器瞬时值控制方案的仿真研究

王青林，陈宏涛
（辽宁省交通高等专科学校，沈阳110122）

光伏并网发电系统中逆变器输出波形控制是关键技术，本文介绍了两种瞬时值控制的电压电流双闭环SPWM逆变器方案，一种基于电感电流反馈，另一种基于电容电流反馈。对所设计的系统进行了较详细的理论分析，并建立了数学模型。在此基础上利用MATLAB/SIMULINK搭建了该系统的仿真模型，并在该仿真模型上进行仿真研究。仿真结果验证了采用基于电容电流反馈的双环瞬时值控制的SPWM逆变器具有波形正弦度好、动态响应速度快、控制精度高和适应负载能力强等特点。

电力电子；逆变器；瞬时值控制；电容电流反馈；输出电压环

随着传统的石化能源存量日益减少和人类渴求低碳环保的生存环境，可再生能源的研究和使用提上日程，如风能、太阳能等资源。具有存量大、清洁等特点的太阳能备受关注，成为最具有潜力应用的新能源之一。光伏发电具有免维护、无噪声等优点，但光伏发电系统存在一些不足，最突出的就是发电效率低（9%～16%），且光伏电池的输出功率与光照强度、环境温度等因素有关［1］。为适应各种不同性质负载的要求和与电网的同步，光伏发电系统逆变器输出波形要求是同频、同幅值、同相位的波形，当前常用的有电压瞬时值反馈、无差拍控制［2］和重复控制［3］等方案，但都是单闭环控制技术。因此这些控制方案只能解决一部分问题，实际应用中使得系统有更好的动态与静态性能，一般采用双闭环瞬时值控制方案，即采用电感电流反馈的双闭环控制和采用电容电流反馈的双闭环控制［4］。采用电感电流反馈的双闭环控制具有较强的抗短路能力，负载适应能力差，调节特性差；而电容电流反馈的双闭环控制负载匹配性强，控制精度高。

1　单相逆变器状态模型

本文采用一种具有固定开关频率的瞬时值控制技术，其主要控制思路是：电压基准值与输出反馈电压经过电压调节器（PI）处理后作为控制电流的基准，电流基准和反馈电流的差经过比例放大后与三角载波交截，导出正弦脉宽调制（SPWM）信号来控制功率器件的关断与导通，以确保输出电压波形稳定性。

图1是双闭环瞬时值控制SPWM逆变器原理框图。其中，取至电感电流iL就是电感电流内环反馈；

取至电容电流iC就是电容电流内环反馈。

根据分析可知，对SPWM逆变器进行线性化处理后得到如图2所示的等效模型。

2　系统性能分析

由于电网中的负荷是多变的不确定的，导致逆变器的负载也是变动的，这样可以把负载电流io可看作是对电容电流环的扰动输入。因此在分析系统开环特性时，io及Δud影响很小，由图2，考虑到iL=io+iC可以得到电感电流反馈闭环控制系统传递函数为：

其中：A1=KikPWMKPIτPI；A0=KikPWM；

B0=KiKvfkPWMKlf是电感电流反馈系数

下面是采用滤波电容电流反馈的闭环传递函数：

其中：A1；A0；B3；B0与式（1）相同；

Kcf是电容电流反馈系数。

2.1稳定性分析

设K1f=Kcf=Kif

对于式（1）、（2）式根据劳斯稳定判据可知电容电流反馈在稳定方面较电感电流反馈要求高点。

2.2系统外特性分析

设逆变器带负载R时的静态误差定义为：

由上式可知δ越大系统外特性越软，即τPI越大滤波电容C越大，则Kδ越小δ越大外特性越软，因此采用电容电流反馈时的外特性比采用电感电流反馈的硬。

2.3电流误差变化率与开关频率的分析

电流跟踪速度是由电流误差变化率表征，鉴于固定开关频率的电流瞬时值控制，由电流误差作为调制波与三角载波进行交截，并且要求三角波斜率大于电流误差变化率，否则就会发生重复交截现象，这样开关失控因此必须避免重复交截现象。对于电容电流反馈而言则有：当Ki过大时容易发生多次相交现象，故Ki不能取得过大。

电容电流只反映输出电压的变化，其上的电流是正弦波，能有效减小谐波误差环流，那么采用电容电流反馈的系统具有更好的负载适应能力。

3　仿真验证

本文利用MATLAB/SIMULIK软件工具建立系统仿真模型，仿真用参数：开关频率：fs=10kHz，UDC=400V，Kvf=0.05，Kif=0.15，滤波电感L=1.5mH，滤波电容C=30μF。在系统参数设置一样的情况下，采用电感电流和电容电流做为反馈量对系统进行仿真波形如下：图3是电感电流反馈控制系统突加阻性负载（t=0.02s）电压电流波形图，图4是电感电流反馈控制系统带非线性负载的仿真波形图，图5是电容电流反馈控制系统突加阻性负载（t=0.02s）电压电流仿真波形图，图6是电容电流反馈控制系统带非线性类负载仿真波形。

通过上面的仿真波形，可以从图3与图5的比较可以看出同样的系统参数情况下，采用电容电流反馈控制系统的外特性硬，从图4与图6的比较可以得出在负载为非线性整流负载时采用电感电流反馈控制时负载电压电流畸变很大电压降落也较大，而采用电容电流反馈控制时电压波形正弦度好，降落小负载电流畸变也较采用电感电流反馈控制小。

4　结论

本文通过选取反馈量不同的瞬时值控制中研究给出了两种控制方案的开关频率，稳定性外特性非线性负载分析的定量关系式得出电容电流反馈外特性硬，非线性负载能力强是综合性能较优的瞬时值控制方案，由于电容电流反馈技术方案能够反映负载电压的变化率，所以电容电流反馈技术方案具有更好的适应非线性负载的能力，是综合性能较优的电流瞬时值控制方案。

［1］高厚磊，田佳等.能源开发新技术—分布式发电［J］.山东大学学报：工程版，2009，39（05）：107-108.

［2］Guo W N，Duan S X，Sun X J，et al.A modified deadbeat control for single-phase voltage-source PWM inverters based on asymmetric regular sample［C］.IEEE PSEC，2001（02）：962-967.

［3］孙雪娟，王荆江，彭力等.基于内模原理的三相电压源逆变源的波形控制技术［J］.中国电机工程学报，2003，23（07）：67-70.

［4］Wu H Y，Dong L，Zhang D H，et.al.A current-mode control technique with instantaneous inductor-current feedback for UPS inverter［C］.IEEE-APEC’99，1999：951-957.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.148

王青林（1975-），男，山西大同人，硕士，主要从事电力传动方面的应用。