loading两级式光伏并网逆变器的无差拍控制算法研究
刘胜荣，杨 苹，肖 莹，刘 栋
【摘 要】摘要：同步锁相是光伏并网逆变器一项关键的技术,直接影响到整个并网系统的性能，而传统的并网锁相技术存在锁相速度或者稳定性上的不足。在无差拍控制算法的基础上，给出一种无差拍电流控制锁相策略，并将该控制策略用于两级式单相光伏并网逆变器的控制中。仿真结果表明，在光照导致光伏电池功率波动或者电网频率变化的情况下，该控制方法能最大限度地输出能量，并使逆变器的输出电流准确、快速地跟踪电网电压，功率因数接近为1。 【期刊名称】电力系统保护与控制 【年(卷),期】2010(038)008 【总页数】4
【关键词】光伏并网； 逆变器； 无差拍控制； 太阳能发电
0 引言
近年来，由于能源需求的增长和煤炭、石油等化石燃料对生态环境的污染，分布式发电如光伏发电、风力发电等已经成为当前研究的热点[1-2]。由于分布式发电的输出均为分散的直流电，需要将其接入到交流电网中才能实现新能源发电的大规模应用，因此，并网逆变器成为新能源规模化应用的实施装置。 分布式发电系统并网时，需要应用锁相技术检测电网电压的相位和频率，以控制并网逆变器输出与电网电压同频同相的电流（即功率因数为1）[3]。锁相的过程与锁相速度之间存在矛盾，既要保证并网逆变器的稳定运行又要保证锁相的快速性 [4-5]。常用的锁相控制算法有渐次逼近法、最优时间法和有限脉冲响应法，而这几种算法各有优缺点，很难同时满足稳定性和快速性[6]。
无差拍控制算法是一种对电路精确模型进行控制的方法[7]，通过采样控制量并进行提前一拍预测，计算出开关器件的占空比控制开关管，从而使输出的实际波形接近于参考波形。针对并网逆变器锁相的稳定性和快速性矛盾的问题，本文提出了一种基于两级式并网逆变器的无差拍控制算法，在保证太阳能光伏电池最大功率输出的同时，使逆变器输出电流跟随电网电压变化，功率因数接近为 1，并通过 Matlab/Simulink的仿真结果验证了该策略的正确性。
1 两级式光伏并网逆变器
两级式光伏发电系统结构如图1所示，整个系统由太阳能光伏电池、DC/DC电路、DC/AC逆变电路组成。在本系统中，第一级应用Boost电路完成太阳能光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）控制，而第二级应用全桥逆变电路完成从直流电到交流电的并网逆变。当直流母线电容C2充电完成后至满足并网要求时，可控开关管Q6闭合，经变压器向电网输送电能。
2 无差拍电流控制算法的设计
无差拍电流控制方法是一种数字化的PWM控制方法，其基本思想是在每一个开关周期开始，通过采样逆变器输出的电流I和预测出下一开关周期开始的电流参考值*I，根据*II?计算出逆变桥开关管的占空比，使输出电流精确跟随参考电流的波形。这种方法计算量比较大，但由于其开关频率固定和动态响应快的优点，得到了广泛的应用，适合在高性能数字控制系统中实现。
在两级式光伏并网逆变器中，采用无差拍电流控制（此处介绍采用无差拍电流控制的优点）。其工作原理是：无差拍电流控制是将 DC/DC电路输出的直流电逆变成为正弦交流电，经过滤波后输送到电网。H逆变器的输入端接DC/DC电路的输出端并接有大电容，可等效为电压源，输出端采用电流源模式以解决
电压源模式抗干扰能力弱、对电网发生变化时的响应速度慢等问题[8]。通过控制逆变桥开关管的通断，使输出电流与电网电压同频同相。 以下针对两级式光伏并网逆变器进行无差拍电流控制算法的设计。 从图1可以得到以电感电流 lI为变量的电路方程。
其中:Il为逆变器输出电流； Ua为逆变器输出电压；U g rid为电网电压；R为线路的等效阻值。 离散化可得：
又因为R的阻值很小，式（2）可简化为：
其中：Il[k]为第k次采样时刻的电感电流值k]为Ugrid在第k次采样周期内的平均值；?T[k]为在第k次采样周期的占空比。
通过式（3）可知第 k +1次采样时刻的电感电流值可由Il[k]、Ua[k]、?T[k]和[k]决定，于是可求得占空比：
由式（4）可知，要求取?T[k]，应先得到Il[k]、U a [k]和 Il[k + 1 ]。由于 Il[k]和 U a [k]根据采样可以得到，因此对和 Il[k + 1 ]的求取是算法实现的关键。 假如电网频率发生波动，电网电压的平均值将无法通过积分公式求取，但是由于采样周期非常小，电网电压在采样周期k的平均电压可近似等效为电网电压： 要使电感电流在 k +1时刻追上参考电流I * [k + 1 ]，用参考电流 I *[k + 1 ]代替 I l[k + 1 ]即可。在该控制策略中，为了使并网电流在电网频率波动的情况下能迅速地跟踪电网电压，避免传统锁相算法存在的稳定性和快速性相矛盾的问题，可令：
由于光伏电池的I-V特性可以描述如下：
其中： pvU 为光伏电池输出电压； gI为光生电流；A为p-n结参数； satI 为
光伏阵列饱和电流；q为电子电荷量；K为玻兹曼常数。
参数 gI、A、 satI 受到外部温度和光照的影响使得输出 pvI 的不同，其输出功率变化曲线如图 2所示。
因此，为保持太阳能光伏电池与逆变器输出的能量平衡，k可用公式（8）进行计算：
其中： Pp v为太阳能光伏电池发出的功率；U为电网电压的有效值。
于是，对电网电压 U g rid[k + 1 ]进行准确的预测是实现该控制策略的关键，考虑到DSP芯片的运算速度和预测的精度，可采用泰勒公式预测下一个采样周期T的计算方法[9]，可得：
根据式（9），则可以通过前四个采样周期的采样值预测下一个采样周期的电网电压。把式（6）、式（7）和式（8）代入式（5），即可求得下一周期的占空比。用该占空比控制逆变器的开关器件的导通时间，就可以得到 I * [k + 1 ]的输出，在电网频率波动的情况下实现光伏并网逆变器功率因数为1的无差拍电流控制策略。
3 仿真研究分析
3.1 仿真模型的建立
为了验证上述的无差拍改进控制算法，搭建了基于Matlab/Simulink的仿真模型。整个并网系统主要由光伏模块、Boost电路、逆变桥、可控开关等组成。为验证算法，电网用可调节的交流电压受控源来模拟，系统的最大功率跟踪策略和无差拍控制策略采用S函数编写实现，整个系统如图3所示。其中，无差拍控制模块在每个开关周期采集光伏模块的电压 pvU 和电流 pvI，直流母线电压 dcU ，以及电网电压 gridU 和电流 lI，计算出下一周期的PWM占空比，
然后由PWM Gennerator产生触发脉冲控制开关管，使逆变器输出与电网电压同频同相的电流。 3.2 仿真结果与分析
仿真参数设定为：电网原边电压有效值U= 2 2 V ,电压滤波电感为 L = 3 mH，开关频率fq = 1 0 kHz，仿真算法采用ode23t，误差为1e-6。
在［0，0.168 s］时，可控开关管Q6断开，逆变器前端的电容处于充电状态；在［0.168 s，0.2 s］时，可控开关闭合，向电网输出电流，此时电网频率为50 Hz；在［0.2 s，0.3 s］时，电网频率改变为60 Hz。图4为输出电流跟踪电网电压的仿真波形。可以看出，在电网频率变化的情况下，该控制策略仍能使并网电流准确、迅速地跟踪电网电压，与其保持同频同相，而不存在传统锁相算法速度和稳定性上的不足。
当光照发生变化时，光伏模块的功率输出也会产生相应的变化，需要控制逆变器的电流输出以维持逆变桥前端直流母线电压的稳定。在t=0.25 s时，使光照从1 000 W/m2增加到1 400 W/m2，此时逆变器输出的并网电流波形如图5所示。由图5可见，在光照增加的情况下，逆变器的输出电流也随之增大，使其直流母线电压基本保持恒定（如图6所示），保证前端DC-DC电路最大功率跟踪算法的完成。
4 结论
光伏并网逆变器是光伏发电系统的主要部件，输出的电能质量和效率至关重要。针对并网逆变器的锁相问题，提出了一种基于两级式单相光伏并网逆变器的无差拍控制电流策略。仿真实验结果表明，在电网频率发生变化的情况下，该控制方法可以使并网逆变器的输出电流快速、准确地跟踪电网电压，在无开关损