施甸小功率单相光伏并网逆变器的研究

　　在环境污染严重以及能源日益紧缺的今天，开发和利用可再生绿色能源已经成为人类的迫切需要。太阳能作为清洁、易于大规模开发利用的可再生能源之一，在近些年来引起了世界各国政府和能源专家的高度重视，而光伏并网发电技术也已经成为新能源开发利用领域的研究热点之一。

　　小功率光伏并网系统大都采用单相结构、电压电流环控制，其中又分为双级式系统和单级式系统。

　　交流信号的频率和相位测量是光伏并网系统控制与分析中的一个重要内容。电网频率不仅是电能质量的衡量指标，而且是安全稳定控制的重要状态反馈量；电网的相位数据提供控制所需的同步信号。频率和相位的高精度测量由过零检测实现的全数字锁相环可以实现，但数字鉴相器、脉冲序列滤波器和分频器等诸多部件是逻辑电路，难以通过算法实现。采用等效震荡方法实现的全数字锁相环，与模拟锁相环相比，面积小、稳定可靠，通过对采样数据的相位进行补偿方法实现锁相，是一种对采样数据进行同步化处理的方法，但运算量较大。光伏并网逆变器的控制算法目前通常采用以下几种控制技术，如滞环电流无差拍控制等，以达到高质量电能并网的目的。但或多或少存在某些不足，如滞环电流控制对环宽的选择要求较高、PI控制只能对直流信号进行无静差跟踪、无差拍控制对控制对象的数学模型要求较严格。针对双级式非隔离型结构，本文提出一种小功率单相光伏并网逆变器的设计方案。锁相环基于瞬时无功理论，使用二阶广义积分器产生正交电压，该方法结构简单、无滤波延迟、对频率有自适应性；将比例谐振控制算法应用到并网逆变器控制中，对正弦信号具有零稳态误差跟踪能力，在消除静态误差方面更具有优势。结果验证了方案的有效性。

　　2光伏并网逆变器的系统结构与控制算法2.1单相光伏并网逆变器系统结构本文所设计的两级式非隔离型单相光伏并网逆变器如所示。前级DC/DC部分采用的是升压（Boost）电路，后级DC/AC部分采用的是单相全桥电路，滤波电路基于LC滤波器。

　　所示为光伏并网逆变器的控制流程：以TI公司生产的TMS320F2806型号的DSP芯片为核心的控制板控制前级用到的输入信号有光伏板电压信号、光伏板电流信号等，通过前级的Boost电路结构，控制输出的脉宽调制（PWM）信号完成更大功率点跟踪（MPPT）功能和母线升压功能；控制板控制后级用到的输入信号包括市电电压信号、逆变电流信号、母线电压信号和电流信号等，通过后级单相全桥的电路结构，控制输出PWM信号完成逆变并网和母线电压稳定的功能。DC-AC逆变器通过锁相环来实现逆变器输出电流与电网电压的同频同相，控制算法采用比例谐振算法来得到高质量的输出电流并维持稳定的直流侧电压。

　　2.2单相光伏并网逆变器的控制策略所示是光伏并网逆变器的控制方案，前级控制：采集光伏电压Vpv和电流Ipv信号进行MPPT计算得到控制前级电路的PWM信号，实现光伏阵列的MPPT控制。后级控制：母线电压Vbus与电压Vref做差进行PI运算得电流幅值Ip，再乘以锁相的sine得到并网逆变电流Iref，它再与并网逆变电流米样Igrid做差得误差量实现电流跟踪控制，以达到母线电压稳定和并网逆变控制。其中，特别要注意的是在稳定电压时由于光伏I-U曲线的非线性特质，所以Vref取负号，Vbus取正号。这里的电流控制器选择的是比例谐振（proportionalresonant，PR）控制器，因为它比传统PI控制器更能实现零稳态误差跟踪。

　　2.2.1系统建模并网逆变器后级电路的电流控制框图如所示。由于开关频率（20kHz）远远高于电网频率，为了便于分析，忽略开关动作对系统的影响，将逆变单元近似为一增益环节。中G（s）为系统控制器传递函数，R为电感L的串联等效电阻，ug为电网电压，Iref是和电网电压同频同相的并网电流信号，Il是逆变电流采样。

　　根据系统模型可以推出并网逆变器输出电流的传递函数如式（1）所示：二阶广义积分器传递函数如式（2）所示：2.2.2锁相环算法一个锁相环系统的主要目标是为逆变器的输出电流提供一个干净的正弦电流信号，通过使用锁相环检测市电电压的参数，如市电电压的幅度和频率保证市电电压在并网系统中发生常见的失真如：电网电压的谐波，电网电压幅值的波动，电网电压频率的变化和相位的跳变，依然能满足正常的性能，安全运行。其实现的方法有很多种。

　　本文所使用的锁相环实现框图如所示，其中包括正交电压系统的产生，PARK变换及市电角度的运算。

　　根据得到系统的闭环传递函数为：增益值越小滤波效果越好，但是系统的动态响应会变慢。为Hd（s）与Hq（s）传递函数的伯德图。

　　在单相系统中一种简单的产生正交电压系统的方法是使用时变的延迟模块，它提供了与输入信号的基波频率（市电电压）偏移90度的相移。另一种相似的方法但更复杂是产生一个求积分信号用于希尔伯特变化。还有一个不同的产生正交电压系统的方法是使用反PARK变换。所有的这些方法都有一些缺点如：频率特性，复杂度高，非线性，没有滤波作用。本文基于二阶广义积分器阐述了一种新的单相锁相环系统。相比于已知的方法该方法在单相系统中，对于产生一个正交系统该方法具有更好的优势。

　　本文使用产生正交系统的方法如所示，Vgrid作为输入信号，终产生2个相差90的正弦信号V和Vp，其中Vp与Vgnd具有相同的相位和幅值，Va与Vp幅值相等且相位相差90从幅频特性中我们看出对于Hd（s）只在谐振频率处即50Hz处增益为0，对非谐振频率有很大的衰减，可见只能通过频率为50Hz附近的信号，即可有效的抑制电网中的高次谐波，从相频特性图中看出Hd（s）与Hq（s）的相角一直相差90，所以该系统相比于已知的产生正交电压系统的方法（时变的延迟模块，希尔伯特转换，和反PARK（变化）有以下优点：结构简单，对正交电压系统进行无延迟滤波、该系统对频率有自适应性。

　　2.2.3光伏逆变器电流环控制算法后级逆变采用单相全桥电路实现并网。其主电路拓扑如所示，其中，U是前级Boost变化器的输出，经过逆变电路后变为交流信号，在通过滤波电路后连接电网。后级实现控制并网输出电流功能。

　　在实际系统中，PR控制器的实现存在2个主要问题：①由于模拟系统元器件参数精度和数字系统精度的限制，PR控制器不易实现；②PR控制器在非基频处增益非常小，当电网频率偏移时，不能有效地抑制电网引起的谐波。因此，所以本文采用一种容易实现的准PR控制器，其传递函数如式（7）所示，队为截止频率，kp为比例常数，kr为谐振常数。

　　PI控制器传递函数如式（5），其中kp为比例常数，ki为积分常数：常数，kr为谐振常数，D0为谐振频率：2krss2由式（1）可以看出，逆变器输出电流与电流和电网电压有关。对于PI控制，基波频率D0处的控制器增益为kp+/Dof，是有限值，因此式（1）的第2.2.4控制策略的数字实现连续域离散化设计通常采用双线性变换，变换公式如式（8），T为采样周期，s为s域的复频率，z为z域的复变量：将式（8）带入式（7），可以得到控制器离散域传递函数如式（9）：一项可写成dre/（s=即输出电流小于电流，系统存在稳态误差；同理，第2项不为0，即输出电流受电网电压影响。对于PR控制，控制器在基波频率①。处的增益为以整体结果趋于无穷大，因此，式（1）的第1项基本等于Iref；同理，第2项趋于，此时，有Il=W.所以PR控制可以实现零稳态误差和抗电网电压干扰的能力。

　　为了验证PR控制器特性，给出了PI和PR控制器的波特图，两个控制器kp值相同且为零，ki=kr=1.从图中可以看出PR控制器在基波频率处增益很大，高频处两个控制器特性相似。

　　PI和PR控制器的幅频图根据式（9）可以得到差分方程如式（10）：3数字仿真采用仿真软件MATLAB对系统进行仿真。仿真参数如下：输入电压380V；电网电压有效值220V；电网电压频率50Hz；滤波电感6mH；滤波电容4.7垆；给定电流有效值为2A；PI控制器参数为控制器参数为kp=60/1 1和3分别给出了在PI和PR控制策略下，并网逆变器的电流和电压波形。从1中可以看出并网逆变器电流能够跟随给定电流，通过FFT频谱分析，如2和4所示，采用PR控制策略为2.12%，而采用PI控制策略的THD=4.34%，可以发现采用PR控制策略明显优于PI控制策略，验证了理论分析。

　　在MATLAB中基于二阶广义积分器的仿真结果如所示，仿真中k=0.8.其中红色信号为带有高次谐波的正弦信号Vgnd，蓝色信号为经过Hd（s）得到的vp信号，绿色为经过Hq（s）得到的va信号，从图中我们可以明显的看到系统对Vgnd进行了较好的滤波，得到的vp与Va较光滑且相位相差90，达到了满意的效果。

　　0所示为市电电压信号与经过锁相环得到市电的电压信号，从图中看出经过锁相环输出的度数在一个周期内就完全追踪上了市电的角度数，取得了满意的根据以上理论分析，特研制一台逆变器。，图中通道2测量的是市电电压信号（220V）；通道4测量的为并网电流波形（5A）。可以看到并网电流与市电电压同频同相，并且电流具有较好的输出波形，满足系统的设计要求。稳态时，并网电流有效值为5A，输出功率为1100W，并网功率因数为0.99，并网电流THD值为4.8%，如7所示。

　　通过PR控制的实验波形与仿真波形相比，两者基本接近，并网波形稳定且畸变小。

　　4实验5实验样机和控制板实物PR控制下的并网试验波形7功率分析仪显示并网参数5结论本文对单相光伏并网系统中逆变环节的锁相环和电流环进行了研究，使用二阶广义积分器产生的正交电压信号实现自适应滤波，并当市电有很大畸变，依然能够输出稳定的市电角度，为逆变器的控制提供相位基准，提高了整个系统的精准度与稳定性；将PR控制算法应用到并网逆变器控制中，与传统网压前馈PI控制器相比，在不影响动态性能的情况下，有效减少并网电流THD，消除了稳态误差，提高了并网电流质量。结果验证了有效性。