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一種簡易的單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器控制設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2014-02-19 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器與單級(jí)式相比,雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但前、后級(jí)可分開控制,控制方法較簡單。而且前級(jí)DC/DC變換器選用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可滿足不同的太陽能電池輸入電壓,應(yīng)用起來比較靈活。接下來本文會(huì)從內(nèi)部控制到各部分設(shè)計(jì),以及最后的仿真調(diào)試來為大家詳細(xì)介紹一種簡易的單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器控制設(shè)計(jì)。

單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器與單級(jí)式相比,雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但前、后級(jí)可分開控制,控制方法較簡單。而且前級(jí)DC/DC變換器選用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可滿足不同的太陽能電池輸入電壓,應(yīng)用起來比較靈活。對(duì)于單相兩級(jí)式光伏逆變器,除了要實(shí)現(xiàn)MPPT和并網(wǎng)逆變外,還必須將連接前后級(jí)的母線電容電壓控制在一定范圍內(nèi)。電壓太低滿足不了并網(wǎng)逆變要求,電壓高則母線電容耐壓也高,體積大。若控制不當(dāng),母線電容將一直升高到高出電容耐壓,導(dǎo)致“母線電容崩潰”。

1、 雙PI環(huán)控制

單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器通常前級(jí)采用MPPT控制,后級(jí)采用電流內(nèi)環(huán)、母線電壓外環(huán)的雙環(huán)PI環(huán)控制,其典型控制簡圖如圖1所示。其中電流內(nèi)環(huán)控制框圖如圖2所示。

典型的控制簡圖

圖1 典型的控制簡圖

電流內(nèi)環(huán)控制圖

圖2 電流內(nèi)環(huán)控制圖

并網(wǎng)電流ig與參考電流igref的誤差經(jīng)調(diào)節(jié)后與高頻三角載波交截,得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變橋,實(shí)現(xiàn)電流跟蹤。GiPI(s)為PI環(huán)節(jié)傳遞函數(shù);KPWM/(0.5sTs+1)為采用PWM控制的逆變橋傳遞函數(shù),可等效為慣性環(huán)節(jié),KPWM為PWM及主電路增益;1/(sTs+1)為采樣延時(shí)和PWM控制滯后的小慣性環(huán)節(jié)。

將采樣延時(shí)環(huán)節(jié)和PWM裝置延時(shí)環(huán)節(jié)合并,由于開關(guān)頻率較高,合并后s2的系數(shù)遠(yuǎn)小于s的系數(shù),可以將該項(xiàng)忽略,簡化為一階慣性環(huán)節(jié):1/(1.5sTs+1)。

等效電壓外環(huán)控制框圖如圖3所示,Udc為直流母線電壓;GuPI(s)為PI環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù);1/(Cs)為濾波電容的傳遞函數(shù);Gi(s)為電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

等效電壓外環(huán)控制框圖

圖3 等效電壓外環(huán)控制框圖

根據(jù)以上電流環(huán)的設(shè)計(jì),可得簡化等效閉環(huán)傳遞函數(shù)為:Gi(s)=1/(1+3sTs);同樣將采樣延時(shí)和電流環(huán)傳遞函數(shù)合并等效為:1/(1+4s Ts)。
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2、雙PI控制的補(bǔ)償和改進(jìn)

單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和電流均為工頻正弦變量,其輸出有功功率表現(xiàn)為2倍工頻的正弦變量,這樣實(shí)際母線電容就有相同頻率的紋波電壓。因此母線電壓控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生的參考電流幅值就不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的直流變量,也含有2倍頻交變分量,電流基準(zhǔn)給定信號(hào)就不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波,因此會(huì)導(dǎo)致實(shí)際并網(wǎng)電流波形THD升高。

另一方面,市電電網(wǎng)電壓包含大量的低次和高次諧波,實(shí)際用電負(fù)荷的突變還會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓隨機(jī)波動(dòng)。電流環(huán)中沒有考慮到電網(wǎng)電壓ug對(duì)電流波形的影響。

設(shè)igref與ig的誤差信號(hào)為ie,則ie=igref-ig,差分方程為:die/dt=digref/dt-dig/dt。若不考慮開關(guān)頻率諧波分量的影響,有:

Lfdig/dt=uAB1-ug (1)

式中:Lf為輸出濾波電感;uAB1為橋臂輸出側(cè)基波分量。

設(shè)ie接近零,可得die/dt=digref/dt-(uAB1-ug)/Lf=0。根據(jù)逆變器調(diào)制原理可得:

uAB1=Udcum/Utri (2)

式中:um為逆變器正弦調(diào)制信號(hào);Utri為三角載波幅值。

整理可得:

um=Lf(Utri/Uref)d[(Uref/Udc)igref]/dt+(Utri/Udc)ug (3)

(Uref/Udc)igref說明母線電壓的紋波影響并網(wǎng)電流,(Utri/Udc)ug說明電網(wǎng)電壓對(duì)電流控制也有影響。所以單純采用雙PI控制在實(shí)際電路中很難滿足并網(wǎng)逆變器THD<5%的要求。根據(jù)式(3)可知,若增加Udc/Uref乘以電網(wǎng)電壓作為前饋補(bǔ)償,就可消除電網(wǎng)電壓對(duì)并網(wǎng)電流的影響。

3、電壓外環(huán)PR調(diào)節(jié)

單純采用雙PI控制時(shí),為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能,電壓環(huán)環(huán)寬一般都設(shè)為200~500 Hz,即使加入母線紋波補(bǔ)償,也無法完全抑制100 Hz紋波對(duì)并網(wǎng)電流的影響。若采用PR調(diào)節(jié)器作為電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器,則可很好地抑制母線紋波對(duì)并網(wǎng)電流的影響,同時(shí)可保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)系能,即有:

Gc(s)=Kp+Kr(s2+ω2)/[s2+(ω/Q)s+ω2] (4)

4、單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器控制策略

一般單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器采用前后級(jí)分開控制的方法,當(dāng)系統(tǒng)功率隨著MPPT控制不斷變化時(shí),首先體現(xiàn)為母線電容的電壓變化然后通過后級(jí)控制改變并網(wǎng)電流。

下面提出一種新的系統(tǒng)控制策略,其核心思想是根據(jù)前級(jí)MPPT的功率先預(yù)置一個(gè)逆變的參考電流幅值,然后經(jīng)一個(gè)比例控制器確定最終的逆變參考電流。這個(gè)比例控制器是母線采樣電壓與參考電壓(一般380V)的比值。這樣當(dāng)前級(jí)MPPT調(diào)節(jié)功率變化時(shí),可直接體現(xiàn)為后級(jí)參考電流的變化,并通過母線電壓的比例控制器將母線電壓穩(wěn)定在參考值附近。

不考慮紋波,若母線電壓均值大于或小于參考值,則會(huì)相應(yīng)調(diào)高或降低逆變的參考電流,使母線電容進(jìn)行相應(yīng)的充放電,母線電壓保持在參考電壓附近,以保證前后級(jí)功率平衡,起到穩(wěn)壓作用。對(duì)于母線紋波,通過母線電壓控制器,不僅穩(wěn)住母線電壓,而且抑制了母線紋波對(duì)并網(wǎng)電流的影響,還使后級(jí)實(shí)現(xiàn)了單電流環(huán)控制,控制更簡單。其控制原理如圖4所示。

新控制法控制框圖

圖4 新控制法控制框圖
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5、 Saber仿真驗(yàn)證

在Saber中搭建如圖1的仿真模型,母線參考電壓380 V,系統(tǒng)工作在額定功率3 kW,前級(jí)采用導(dǎo)納增量法實(shí)現(xiàn)MPPT并升壓。

Boost輸出電壓(母線電壓)一直穩(wěn)定在380V附近,采用雙PI控制方法時(shí)的波形如圖5a所示。由圖可見,母線電壓存在100 Hz的脈動(dòng)紋波;單純的雙PI控制逆變并網(wǎng)電流波形存在明顯畸變,THD=4.63%。當(dāng)系統(tǒng)功率變化時(shí),0.45 s開始功率從3 kW變化到0.5 s時(shí)的1.9 kW,母線電壓和并網(wǎng)電流波形如圖5b所示。可見,母線電壓穩(wěn)定在380 V附近,有100Hz的脈動(dòng)紋波。并網(wǎng)電流不是很理想,當(dāng)功率從3 kW變化到1.7 kW時(shí),母線電壓有一個(gè)先減小然后增加的調(diào)節(jié)過程。

將電壓外環(huán)PI改為按照式(4)取值的PR調(diào)節(jié)器,電壓和輸出電流波形如圖5c所示,可見,采用PR控制輸出并網(wǎng)電流波形沒有明顯畸變,THD=1.22%。PR控制功率變化時(shí)母線電壓和并網(wǎng)電流波形如圖5d所示,可見,電壓外環(huán)采用PR調(diào)節(jié)時(shí),系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)更快。當(dāng)功率變化時(shí),雙PI控制大概在10個(gè)電網(wǎng)周期才能過渡到一個(gè)穩(wěn)態(tài);而電壓外環(huán)PR調(diào)節(jié)可使母線電壓和并網(wǎng)電流平滑過渡,只需2個(gè)周期即可進(jìn)入下一個(gè)穩(wěn)態(tài)。

仿真波形

圖5 仿真波形

由圖4搭建仿真模型,3 kW時(shí)母線電壓和并網(wǎng)電流波形如圖5e所示??梢姡捎眯驴刂品椒杀WC母線電容穩(wěn)壓和很好的并網(wǎng)電流,THD只有0.8%。新控制方法下功率變化時(shí)母線電壓和并網(wǎng)電流波形如5f所示,對(duì)比可見,在前級(jí)功率變化時(shí),新控制方法和雙PI控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能更好。新控制方法中,系統(tǒng)功率變化時(shí),電流和母線電壓過渡更加平穩(wěn),同時(shí)能保證高質(zhì)量的輸出電流。
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6、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

H橋采用光伏專用模塊FZ06BLA045FH-P897E,二極管采用SiC肖特基二極管,其快恢復(fù)性能好,可顯著降低開關(guān)損耗和電磁干擾。控制采

用DSP2808芯片。采用圖4中的控制方法,非隔離并網(wǎng),濾波電感3 mH,實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。

 實(shí)驗(yàn)波形

圖6 實(shí)驗(yàn)波形

可見,并網(wǎng)電流波形質(zhì)量隨著功率增加越來越好,測(cè)量半載1.5 kW時(shí)并網(wǎng)電流THD≈1%。

7、結(jié)論

對(duì)單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行建模,通過理論分析和仿真可知,傳統(tǒng)的母線電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制為兼顧并網(wǎng)電流質(zhì)量和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能,必須在后級(jí)電流環(huán)中加入母線電壓紋波補(bǔ)償和電網(wǎng)電壓抑制補(bǔ)償環(huán)節(jié)。若在電壓環(huán)中采用比例諧振調(diào)節(jié)器控制,將諧振點(diǎn)設(shè)置在100 Hz左右,可以抑制母線紋波電壓對(duì)并網(wǎng)電流的影響,同時(shí)保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。

提出一種基于功率平衡原理的控制方法,將一個(gè)比例控制器作為母線電壓調(diào)節(jié)器加入后級(jí)逆變環(huán)路中,使后級(jí)可采用簡單的電流環(huán)控制,在母線電容穩(wěn)壓的同時(shí)消除了紋波電壓對(duì)并網(wǎng)電流的影響。傳統(tǒng)的雙環(huán)控制前后級(jí)分開獨(dú)立,這樣前級(jí)功率變化時(shí),首先體現(xiàn)為母線電壓變化,然后并網(wǎng)電流跟隨母線電壓變化,新控制方法中,前級(jí)功率變化時(shí)直接作用到后級(jí)電流控制中,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

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