单相光伏并网逆变器控制技术

图 4 中 ，G1 （s） = Kp +
Ki s
，G2 （s） = Kpwm，G3 （s） =
1 L1s+r1
，G4（s）=
1 Cs
，G5（s）=
1 L2s+r2
。
则其传递函数为：
H（s）= ig（s） = Δi（s）
G1（s）G2（s）G3（s）G4（s）G5（s）
（8）
1+ G2（s）G3（s）+G3（s）G4（s）+G4（s）G5（s）
些，这样不仅容易调试，而且有利于减小系统的跟踪 误差，如图 3 所示。 图中，ΔUg 为电网扰动信号，Gg（s） 为扰动补偿器，GDSP、Ginv（s）、GLCL（s）分别为 DSP、逆变 器和滤波器的增益函数。
iref + -
GDSP + -
Gg（s） Ginv（s）
+
ΔUg - Δig（s） GLCL（s） ig
图 1 中，主电路包括光伏阵列 PV、DC ／ DC 变换器、 DC ／ AC 逆变器、LCL 滤波器及相应的控制单元［8-9］。 本文的控制思想是 在 Boost DC ／ DC 电 路 中 通 过 最 大功率点跟踪控制方法控制开关管的占空比，从而 跟踪光伏电池输出最大功率时的电池端电压 uc， 并 在 DC ／ AC 并网逆变控制中，以 i*pv 为逆变器控制的瞬 时参考电流，i*pv 是以光伏电 池 最 大 功 率 跟 踪 输 出 的 直流电流 Imax 作为其峰值，以电网电压的相位和频率 作为其相位和频率。 因此，该控制方法既能使并网 逆变器跟踪电网的频率与相位，又能向电网实时输 送最大功率，实现最大功率点跟踪；另外，为了确保 控制系统的稳定，还引入了电网电压前馈控制和滤 波电容电流内环控制的思想。 传统的逆变器是通过 LC 滤波器来衰减逆变器输出电流中存在的谐波分量，
1 单相并网电路拓扑结构和控制策略
单相光伏发电并网系统的电路结构由光伏电 池、Boost DC ／ DC 电路、逆变桥及控制电路组成［1］。 前 级 Boost 电路通过调节占空比改变光伏阵列的输出 电压，实现最大功率点电压的跟踪；后级逆变电路实 现光伏电池最大功率的并网传输，图 1 为单相并网逆 变器控制结构图。
DC ／ AC 的拓扑电路结构及其实现最大功率并网的控制策略 ，并利用 MATLAB ／ Simulink 对系统进行仿真，仿
真结果表明所提控制策略能实时跟踪光伏系统的最大功率点，系统能稳定可靠地向电网传输电能。
关键词： 光伏电池； 并网系统； 逆变器； 滤波器； 电压前馈； 补偿； 控制； 仿真
中图分类号： TM 464
ΔUg（s）=
0
（5）
GLCL（s）+Gg（s）Ginv（s）GLCL（s） = 0
（6）
所以，扰动补偿通路的传递函数为：
Gg（s）= -
1 Ginv（s）
（7）
通过以上分析可知，图 3 中的 Gg（s）传递函数满
足式（7）时，电网电压前馈补偿能够使扰 动 电 流 Δig
为零。 但是在光伏发电系统中，为了加快并网电流
图 3 并网电压扰动控制框图 Fig.3 Control of grid-connection voltage perturbation
在 图 3 中 ，设 Δig（s）为 电 压 扰 动 时 系 统 输 出 的 扰动电流，它由两部分组成，即：
Δig（s） = Δi1g（s）+Δi2g（s）
（1）
Δi1g（s） =
为了验证该系统的稳定性，选取 L1= 6.0 mH、L2=
1.5 mH、C= 25 μF、r1 = r2= 0.4 Ω、Kp = 0.2、Kpwm = 80， 对
式（8）进行根轨迹分析，其根轨迹见图 5，可见，选取
Ki = 20 时极点在虚轴上。 因此，以并网电流为外环、 电容电流为内环，电 网 电 压 前 馈 的 闭 环 系 统 能 达 到 稳
电力自动化设备
第 32 卷
由于在大功率并网逆变器 中 ，开 关 频 率 低 ，采 用 LC 滤波器需要较大的电感量，电感值的增加不但提高 了成本而且不利于逆变器的控制［9 。 -12］ 为了减少并网 电流中的谐波分量，同时降低电感设计，在并网逆变 器设计中采用 LCL 型滤波器［9］。
假设逆变器前端 DC ／ DC 输出的电压为光伏电 池运行最大功率时的变换电压 Upv，同时假设逆变器 是一个电压增益为 Kpwm 的变换器，因此，图 1 中的并 网 逆 变 器 及 LCL 滤 波 器 的 模 型 可 简 化 为 图 2 所 示 电路。
的响应速度以及控制并网电流的稳定性，还引入了在
LCL 滤波器中对电容 C 的电流（图 2 中电容 C3 的电 流 iC）进行反馈控制的方法，即将并网电流 ig 包含在 电容电流内环的前向通道内，电容电流反馈能使其电
网汲取电流时仍维持电容电压不变［8］。 从逆变器的
输出来看，只要精确保证电容电压具有良好的正弦度 ，
就能实时抑制电网电压波动对并网电流带来的影
响。 在实际应用中，由于各种非理想因素的存在，并
不能实现全补偿，只能在一定的允许误差之内补偿。
结合传统逆变器的控制策略，根据图 1—3，可得
电网电压扰动情况下的并网电流双环控制系统框
图 ，见 图 4。 图 4 中 选 择 电 容 电 流 iC 作 为 内 环 控 制 变量，其目的是消除输出电流中开关频率谐波电流分
L1 iL1 Upv Kpwm Uinv
r1
L2
iC iL2 C3 UC
r2 Ug
图 2 单相并网逆变器及 LCL 滤波器结构图 Fig.2 Structure of grid-connected single-phase
inverter and LCL filter
由于城市电力网是一个不确定的负载系统，因 此，必须考虑电力网电压扰动情况下并网逆变器能否 向电网输送稳定、可靠的并网电流。 电网电压前馈 补偿不会改变控制系统的特性，从抑制扰动的情况 看，电网电压前馈控制可以减轻反馈控制的调节难度 ， 在工程应用中反馈控制系统的增益可以取得较小一
以上研究问题的可行性。
收稿日期：2011 - 04 -19；修回日期：2012 - 02 -22 基 金 项 目 ：四 川 省 重 点 学 科 基 金 资 助 项 目 （SZD0503 - 09 - 0）；四 川 省 教 育 厅 科 研 项 目 基 金 资 助 项 目 （11ZA003）；中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 项 目 （SWJTU09ZT13）；西华 大 学 重 点 科 研 基 金 资 助 项 目 （Z1120940） Project supported by the Research Fund of Sichuan Provincial Key Discipline of Power Electric Drive，Xihua University （SZD0503- 09 - 0），the Importance Research Fund of Sichuan Provincial Education Department （11ZA003），the Fundamental Research Funds for the Central Universities Project （SWJTU09ZT13） and the Key Research Fund of Xihua University （Z1120940）
第 32 卷第 5 期 2012 年 5 月
电力自动化设备
Electric Pow．32 No．5 May 2012
单相光伏并网逆变器控制技术
曹太强 1，许建平 2，祁 强 1，王 军 1 （1. 西华大学 电气信息学院，四川 成都 610039； 2. 西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031）
R
L1
T C1 V
PV
+ uC -
u
D
Imax MPPT PWM
I
C2 IGBT
逆变器 A
L2
L3
C3 N
电网
g
Ug
Ug
sin PLL
×
ig ipv +
-
+ PID
脉冲 P
图 1 单相光伏并网系统结构图 Fig.1 Structure of grid-connected single-phase PV system
量 ，同 时 增 加 系 统 的 稳 定 性 ［8 - 11］。
ip*v +
Δi -
G1（s）
iC* +
-
+
Gvf
G2（s）
U*C +
-
- Ug
G3（s）
iL1 +
iC -
G4（s）
+ UC
ig G5（s）
图 4 逆变器并网电流控制框图 Fig.4 Control of inverter grid-connection current
! " EN（s）= -Δig（s） = -
1
+
GLCL（s） Ginv（s）GLCL（s）
ΔUg（s）+
!
" Gg（s）Ginv（s）GLCL（s）
1 + Ginv（s）GLCL（s）
ΔUg（s）
=
即有：
-
GLCL（s）+Gg（s）Ginv（s）GLCL（s） 1 + Ginv（s）GLCL（s）
摘要： 把光伏电池的特性与光伏并网逆变器结合起来控制光伏电池最大功率传输，提出了用光伏电池最大功
率跟踪控制的最大输出电流作为逆变器控制的瞬时参考电流的方法，该瞬时交流参考电流是以光伏电池输出