光伏并网逆变器的控制策略

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Vpv 1- D
( 2)
逆变 器输入 侧
光伏阵列输 出电 压 ; Vdc
通过控制逆变器输出 电流即馈入 电网的功 率, 保持直流母线电压 Vd c的相对稳定, 再通过对 占空比 D 的 控制 来调 节光 伏 方阵 的工 作 电压 Vpv , 使其输出在最大功率点电压附近 , 从而实现 最大功率跟踪
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固定开关频率瞬时电流控制方法的工作频率 是固定的。由于载波频率固定 , 所以逆变器输出 谐波频率固定 , 滤波器设计相对于滞环电流瞬时 值控制简单, 控制效果较好 ( 2) 双闭环控制
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。
目前 , 系统一般采用双闭环控制, 电网侧交流 电压和电流采样环节, 电压同步环节, PWM 调制 环节和驱动单元四个部分作为内环控制 , 控制直 流到交流的逆变, 保证系统较好的逆变品质 ; 输入 功率采样环节作为外环控制 , 保证光伏并网系统 最大功率输出。其中, 外环为功率环, 是系统控制 的核心。同时 , 系统可以通过检测三相负载电流 , 实时计算出相应的无功分量 , 就可以在逆变器输 出侧通过 APF 加以补偿 。 ( 3) SVP WM 控制策略 SVP WM 控 制策 略是 依 据逆 变器 空间 电压 ( 电流 )矢量切换来控制逆变器的一种新颖思路 的控制策略, 它能在功率器件开关频率不高的情 况下输出较好质量的正弦波 , 并且能提高直流电 压的使用效率 , 空间矢量脉宽调制具有线性调 节范围宽、 直流电压利用率高、 输出谐波小和易于 数字化实现等特点。但空间矢量控制方法需进行 复杂的坐标变换, 三角函数运算、 有效矢量作用时 间等。计算量大且复杂计算会影响到计算精度。 它常用于整流及电机控制等方面。 ( 4) 无差拍控制 无差拍控制是一种基于系统状态方程的控制 方式, 它以输出零误差为目标 , 是状态反馈的一个 特例。在该控制方式下逆变器输出电压波形质量 好, 总谐波畸变低, 动态响应速度快。无差拍控制 的基本思想是根据逆变器的状态方程和输出反馈 信号来推算出下一个开关周期的 PWM 脉冲宽度, 其控制效果取决于模型估计的准确程度, 它要求脉 宽必须当拍计算当拍输出, 对运算的实时性要求很 高, 否则会破坏系统特性。另外, 在无差拍控制的 系统出现扰动使输出电压偏离参考电压时, 系统将 在一个周期内再次跟踪, 使得系统动态响应非常 快, 但极快的动态响应又导致了其显著缺点 , 即一
随着世界能源紧张和环境污染的加剧 , 可再 生资源的利用备受瞩目。目前 , 太阳能利用主要 有两种形式: 热利用和光伏发电利用。其中 , 隶属 于发电利用的光伏 并网是太阳能 利用的发展趋 势, 它将主要用于调峰电站和屋顶光伏系统。 在光伏并网发电系统中, 对电网的跟踪控制 直接关系到输出的电能质量和系统的运行效率 , 是系统的核心和技 术关键。随着 技术的不断进 步, 逆变器越来越倾向于小体积、 高效率、 低损耗、 综合化、 智能化。 本文简述了并网的相关原理及控制目标 , 介 绍了几种可取的控制策略及各自的优缺点 , 展望 了未来的发展趋势及走向。
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。图 2 为一个电流瞬时值比较方式 , 它是一
个双闭环结构 , 其外环是直流电压反馈控制环, 内 环是交流电流控制环。将电压调节器输出电流幅 值指令乘以表示网压的单位正弦信号后 , 得到交 流的电流指令 , 将它与实际检测到的电流信号进 行比较, 当电流误差大于指定的环宽时 , 滞环比较 器产生相应的开关信号来控制逆变器增大或减小 输出电流 , 使其重新回到滞环内。这样 , 使实际电 流围绕着指令电流曲线上下变化, 且始终保持在 一个滞环带中 , 在滞环宽度较大时 , 并网电流的谐 波含量大。该控制方法为实时控制, 电流响应快 , 输出电压电流不含特定次谐波, 但功率器件的开 关频率不固定 , 会导致电流频谱较宽, 可能引起间
式中 Vpv 直流母线电压。
图 1 并网逆变器输出矢量图
式中
公用 电网 角频 率。在 实 际电 路中 , Ug 的 相
位、 周期和幅 值可 以通 过传 感 器检 测到。由 于实 际系 统 中 R 很难得到 , 因此 , 回馈电流 I0 的相位必须由电流 负反 馈来实现。 用电流 传感器实 时检测 I0 , 确保 I0 与电 网电 压相位一致 , 可以实现功率 因数为 1 的回馈发 电
略 , 并给出了未来的发展走向。 关键词 : 光伏并网系统 ; 并网逆变器 ; 控制 策略 基金项目 : 国家自然科学基金 项目 ( 50877053) 作者简介 : 周雪松 ( 1964 ) , 男 , 教授 , 研究方向为电力电子和电力系统自动化。 中图分类号 : TK 514 文献标志码 : A 文章编号 : 1001 9529( 2010) 01 0080 04
。
如果用调节器的输出来调节交流侧输出端的 电压幅值和相位时 , 则称为间接电流控制, 有时也
0082
2010, 38( 1)
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接的谐波干扰
, 导致滤波电路设计困难。
旦模型不准, 很容易使系统进入不稳定运行区域, 造成系统强烈振荡
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。近年来, 带负载电流观察器
的无差拍控制获得了一些进展, 但其缺点是算法复
第 38 卷第 1 期 2010 年 1 月
Vo. l 38 N o . 1 Jan. 2010
Fra Baidu bibliotek
光伏并网逆变器的控制策略
周雪松 , 宋代春, 马幼捷, 郭润睿 , 程德树
( 天津理工大学 , 天津 摘 300384)
要 : 从光伏并网发电的原理 结构入手 , 简述了并网的控制目标 , 着重阐述了当今并网逆变器的几种控制策
功率。后一级为单相全桥式 DC /AC 变换器 , 其输 出经过电感滤波后并网。在 DC /DC 变换后的直 流母线上加一电容, 是为了实现直流能量输入与 交流能量输出的解耦。末端再加入有源电力滤波 器, 可实现并网发电、 无功补偿、 和谐波抑制的统 一控制, 提高供电质量
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2 光伏并网逆变器的控制目标
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3 并网逆变器的控制策略
3 . 1 逆变器的控制方法 并网逆变器按控制方式分类, 可分为电压源电 压控制、 电压源电流控制、 电流源电压控制和电流源 电流控制四种。并网时逆变器的输入常采用电压源 方式, 因为以电流源为输入的逆变器, 直流侧需要串 联一大电感以提供较稳定的直流输入电流, 但由于 此大电感往往会导致系统动态响应差, 因此大部分 并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式 。 对逆变器的控制通常分为电压控制和电流控 制。采用电压控制时, 如果逆变器输出电压相位 与电 网电压不一致, 将会有 环流出现, 而且并网 后, 交流侧只能检测电网电压而不能有效地控制 输出电压的变化。如果逆变器的输出采用电流控 制, 则只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电 [ 8 11] 压, 即可达到并 联运行的目的 。由于其控制 方法相对简单, 因此使用比较广泛。鉴于以上原 因, 光伏并网逆变器一般都采用电压源输入、 电流 源输出的控制方式 。 电流的控制又分为间接电流控制和直接电流 控制两种方式。 ( 1) 直接电流控制 为使太阳电池稳定工作在最大功率点附近 , 控制系统一般都包含有直流电压调节器。该调节 器的输出如果直接用来作为交流侧给定输出电流 的幅值时 , 称为直接电流控制。采用直接电流控 制方法可以获得高品质的电流响应, 只是有的方 法控制结构和算法相对复杂 ( 2) 间接电流控制
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3 . 2 . 2 并网逆变器控制 逆变器作为光伏并网发电系统与电网接口的 主要设备 , 其控制技术已成为研究的热点 , 下面 就常用的几种控制方法作一下全面的剖析。 ( 1) 电流瞬时值控制 逆变器电流控制方法主要有电流滞环瞬时值 控制 技 术及 固 定开 关 频率 瞬 时值 控制 技 术两 种
周雪松 , 等
光伏并网逆变器的控制策略
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称为相位幅值控制。间接电流控制的优点在于控 制简单, 一般无需电流反馈控制。但是 , 间接电流 控制的主要问题在于: 系统电流动态响应不够快 , 甚至交流侧电流中含有直流分量, 且对系统参数 波动较敏感, 常适用于对动态响应要求不高且控 制结构要求简单的应用场合。 直接电流控制和间接电流控制相比较 , 具有 电流快速响应的特点, 并且具有更好的稳定性。 3 . 2 并网系统的控制策略 在整个系统中, DC /DC、 DC /AC 变流器具有 独立的结构和变换目标 , 因此将最大功率跟踪与 并网控制两个环节分别控制。 3 . 2 . 1 最大功率跟踪的控制 Boost电路在电流连续状态下存在下面关系 Vdc =
图 2 电流瞬时值比较方式图
杂, 且当采样频率不高时误差较大。 ( 5) 重复控制技术 重复控制技术是一种基于内模原理的控制方 法, 它利用内模原理 , 在稳定的闭环系统内设置一 个可以产生与参考输入同周期的内部模型 , 从而 使系统实现对外部周期性参考信号的渐近跟踪。 重复控制可以消除周期性干扰产生的稳态误差 , 但它的缺点是动态响应差 。因此, 重复控制经 常与其他控制方法相结合 , 形成复合控制方法来 改善系统输出。当前, 基于重复 P I前馈控制和基 于极点配置 P I数字双环 P WM 逆变器的控制 , 使 得系统参数设计简单, 可获得较快的动态响应速 度和较高的静态精度, 在非线性负载的条件下也 能获得满意的波形。 ( 6) 多变量状态反馈控制 从控制理论的角度来说, 闭环系统性能与闭 环极点密切相关。经典控制理论用调整开环增益 及引入串、 并联校正装置来配置闭环极点来改善 系统性能。而在状态空间的分析中, 除了利用输 出反馈以外, 主要利用状态反馈来配置极点 , 它能 提供更多的校正信息, 从而得到最优的控制规律 , 抑制或消除扰动的影响 。 状态反馈控制可以任 意配置闭环 系统的极 点, 有利于改善系统的动态品质。但在建立逆变 器状态模型时很难将负载特性完全考虑在内 , 所 以状态反馈控制只能针对空载或假定负载进行建 模, 由于状态反馈控制对系统模型依赖性强 , 使得 系统在参数和负载发生变化时导致稳态偏差的出 现和动态特性的改变。 ( 7) 滑模控制 滑模控制是一种非线性控制, 这种控制的特 点是控制的非连续性, 它使系统在一定条件下沿 着规定的轨迹做高频率、 小振幅的上下运动。基 于变结构系统理论的滑模控制表现出对系统参数 变化和负载扰动的不敏感性和鲁棒性并具有良好 的动态特性。但是滑模控制存在理想滑模切换面 难以选取、 控制效果受采样频率的影响等弱点, 它 还存在高频抖动现象且设计中需知道系统不确定 性参数和扰动的界限, 抖动使系统无法精确定位 , 测定系统不确定参数和扰动的界限则影响了系统
如图 1 所示, U 0 为逆变器输出电压 , Ug 为电 网电压, R 为线 路电阻 , L 为输出 滤波电抗 器, I0 为逆变器输出电流。为了使并网输出的功率因数 为 1 , 输出电流 I 0 必须与电网电压 Ug 同频、 同相。 以 Ug 为参考, 经逆变器输出的各量如图 1 所示。 内阻 R 两 端的电压 UR 与电 网电压 相位一 致, 而电 抗器两 端电压 UL 的 相位则 比 Ug 超前 90 。由此可以求得 U0 的相位和幅值 U0 = I0 ( R + j L ) + Ug ( 1)
Control S trategy of Photovolta ic Grid Conn ected Inverter
ZH OU X ue song, SON G D ai chun, MA You jie, GUO Run rui, CH ENG D e shu ( T ianjin U n ive rsity o f T echno logy , T ianjin 300384, China) Ab stract : A fter the introduction o f princ ip le and structure of g rid connected pho tovolta ic inverter , the contro l objec tives of g rid connection were described. Seve ra l current contro l stra teg ies o f gr id connected inve rter w ere e labo ra ted. F inally , the future deve lopm ent trend w as indicated . K ey w ords : pho tovo lta ic g rid connected syste m; g rid connected inverte r ; contro l strategy
并网逆变器先将光伏阵列输出的直流电能逆 变成与公共电网等电压、 同频率、 同相位的交流电 能, 之后再并入公共电网。由于正常运行时三相 并网逆变系统为一平衡系统 , 故其并网的基本原 理可用单相来描述
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1 光伏并网系统结构及原理
光伏并网系统的主要功能是将光伏阵列输出 的直流电能通过调压、 逆变后馈送给电网, 其本质 为有源逆变。 系统分为两级 , 前一级为 DC /DC Boost电路 , 用于直流电压的调整和最大功率跟踪, 以保证在 较宽的输入电压范围内逆变级直流母线电压相对 稳定 , 在光照和温度变化时仍能获得最大的输出