光伏并网逆变控制系统研究

郭钰滨

摘要：针对光伏板的非线性和传统反激电路漏感的影响，分析有源箝位的反激变换器和桥式逆变的双直流光伏逆变器。在对反激电路和桥式逆变器的主电路拓扑结构进行分析的基础上，研究MPPT光伏跟踪系统控制器和电流电压双闭环控制器。把C2000微控制引入系统，根据直流侧信号和交流侧信号输出3组PWM脉冲，控制反激变换器和桥式逆变器的运行。最后，从软件方面进行控制流程设计。

关键词：光伏并网逆变器；系统

引言

随着能源短缺和环境污问题日益严峻，开发一种储量大、无污染的新能源，已经成为世界各国的重要战略目标。太阳能取之不尽、用之不竭、无处不在、无需运输，可再生并且清洁环保，最重要的是绝对没有任何国家可以实施垄断和控制，因此使得人类广泛的应用。本文研究和设计光的伏并网逆变器以最大限度利用太阳能并将高质量电能并入电网作为主要目标，根据小型民用并网单相逆变器的特点，我们采用的并网逆变器为Boost升压型拓扑结构，即由DC/DC直流斩波器和DC/AC逆变器两部分组成。DC/DC直流斩波器采用BOOST升压电路，其结构简单并且控制方便。DC/AC逆变器采用电压型单相全桥逆变器，其拓扑结构稳定，同时能将直流电转换成220V/50Hz正弦交流电，实现并网向电网输送功率。

1系统控制方案框图

主电路采用前级DC/DC直流斩波器和后级的DC/AC逆变器的两级结构，前级DC/DC直流斩波器采用BOOST升压电路；后级DC/AC变换器采用电压型全桥逆变器，主要功能是实现输出并网电流完全可控，并控制直流母的线电压稳定同时高于电网电压峰值，控制系统采用了外环为电压环，内环为电流环的双闭环控制。为了提高系统控制性能，加快瞬态响应及控制精度，控制系统设计时加入了两个辅助控制环节，即功率闭环控制及电网电压前馈控制。这里采用三角波比较的方式对并网输出电流进行控制，同时为了使并网电流完全可控，必须保证直流母线电压稳定且高于电网电压峰值。因此，后级的控制方案采用外环为电压环，内环为电流环的双闭环控制，外环用以控制直流母线的电压稳定；内环用以控制并网输出电流按给定值变化，同时加入了电网前馈控制是为了减少电网电压的影响，下图1为系统控制结构框图。

图1系统方案框图

2光伏逆变系统硬件设计

2.1有源箝位反激变换器拓扑结构

如图2所示，光伏阵列组件输出电压Vpv作为反激电路的输入级，变压器T1、电力场效应管Q1、二极管D2和电容器C2构成基本的反激电路。Q2和电容器C2形成初级箝位电路，二极管D1和电容器C1在输出端形成倍压电路。首先，Q1管导通，Q2管关断，变压器T1初级电压线性增加，同时次级侧电压反向增加，D2导通，输出电容把电压箝位在Vb。漏感LP和电容Cac发生谐振。在谐振电流未反向时，零电压开通Q2管，电容Cac存储的能量向电感转移，D2仍然导通，变压器电压被箝位在Vb；在谐振电流反向后，关断Q2管，移除箝位电容C，由于电感的续流作用，Q1反并联的二极管导通，此时变压器漏感电压被箝位至Vpv+Vb。选择在此过程中开通主管Q1，能够实现零电压导通后开始另一个周期。

2.2单相桥式逆变器拓扑结构

如图3所示，直流变换电路的输出电压Vbus施加到逆变器级输入端，逆变器输出连接到电网。逆变器采用桥式逆变电路，由2个DC-AC降压转换器组成，每个转换器工作在交流电压VLN的半周期。当VLN为正时，Q9、Q3、二极管D3和电感器L4形成一条正半周换流支路。该模式下，Q9持续导通，而Q3根据期望的正弦波信号产生的PWM信号交替通断。在Q3关断期间，负载经过L4和D3续流；当VLN为负时，Q8、Q4、二极管D4和电感器L3形成另一条负半周换流支路。负半周波Q8保持导通，而Q4根据期望的正弦波信号产生的PWM信号交替通断。在Q4关断期间，负载经过L3和D4续流。主电感L3和L4、电容器C5和负载端电感L1和L2构成LCL滤波器。继电器RL1控制逆变器与交流电源连接或断开。

2.3控制系统设计

2.3.1MPPT控制器设计

如图4所示，采用电流控制器的单闭环控制系统实现DC-DC转换器控制。最大功率点跟踪MPPT算法确定设定点参考电流，电流控制回路通过调整全控器件Q1和Q2的占空比来确保DC/DC输入电流被调节到MPPT参考电平。通过采样光伏面板电流Ipv与由MPPT算法设置的参考电流进行比较，将得到的误差信号输入电流环控制器，电流环控制器生成开关Q1和Q2反激变换器PWM占空比信号，而该信号可将光伏板电流调节在基准电平。电流控制器具有双极双零（2P2Z）补偿器形式。除了实现电流环控制器外，还具有过电压保护的增压输出电压功能。

2.3.2逆变控制器设计

如图5所示，系统使用3个反馈信号和4个PWM控制信号控制逆变器。反馈的交流线电压（VLN）、直流母线电压Vb和主电感电流IL，分别经过锁相控制器、电压环控制器和电流控制器后产生占空比信号。电压控制回路采用两极二零（2P2Z）补偿器，通过电流回路的参考电流信号将输入直流母线电压调节到参考电平。电流环使电感电流IL跟踪电压环产生的信号。电流控制器具有3P3Z补偿器形式。锁相环控制器允许在所有条件下将电感电流的相位和频率锁定到电网电压VLN。由于电网电压对电流控制器起干扰作用，2P2Z补偿器不能跟踪到零稳态误差，因此在电流控制回路中使用反馈线性化技术来计算逆变器开关Q3和Q4的PWM占空比。

结语

随着光伏能源的广泛应用，光伏逆变器的好坏直接影响逆变器的效率。因此，设计了具有漏感能量回馈电路的箝位反激变换，能够输出稳定的直流母线电压。逆变部分采用单相桥式逆变，能够输出稳定的单相交流电。控制系统采用MPPT跟踪控制，逆变采用电流、电压和锁相控制的多环控制，能够保障和电网电压的同步。最后，用C2000微控制器实现该控制方法，并设计了软件流程，为微型逆变器的发展提供了一种新思路。

参考文献：

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[2]李东辉，王鹤雄，朱晓丹，等.光伏并网发电系统几个关键问题的研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（21）：208-214.