【文章內(nèi)容簡介】 為容量無窮大的定值交流電壓源，光伏并網(wǎng)逆變器的輸出可以控制為電壓源或電流源。如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，則光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)實際上就是兩個交流電壓源的并聯(lián)運行，這種情況下要保證光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行，則必須采用鎖相控制技術(shù)實現(xiàn)與市電電網(wǎng)同步。在穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，可通過調(diào)整并網(wǎng)逆變器輸出電壓的幅值與相位來控制系統(tǒng)的有功輸出與無功輸出。但由于鎖相回路的響應(yīng)較慢，并網(wǎng)逆變器輸出電壓值不易精確控制，系統(tǒng)可能出現(xiàn)環(huán)流等問題，同樣功率等級的電壓源并聯(lián)運行方式不易獲得優(yōu)異性能。因此光伏并網(wǎng)逆變器的輸出常采用電流控制，此時光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)實際上是交流電流源和電壓源的并聯(lián)，只需控制逆變器的輸出電流以跟蹤電網(wǎng)電壓，即可達到并聯(lián)運行的目的。這種控制方式相對簡單，使用比較廣泛。綜上所述，本文設(shè)計的光伏并網(wǎng)逆變器采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式，即電壓型逆變器。 逆變器輸出電流優(yōu)化控制并網(wǎng)逆變器采用的電流控制是將逆變器輸出作為電流源，它與電網(wǎng)的并聯(lián)可看作電流源與電壓源的并聯(lián)工作。并網(wǎng)工作中只需控制逆變器的輸出電流頻率、相位跟蹤電網(wǎng)電壓變化即可達到并聯(lián)運行的目的。 PI控制PI控制采用電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)控制。電流內(nèi)環(huán)控制要求保證工作電流快速跟蹤電網(wǎng)電壓的波形，所以電流內(nèi)環(huán)PI參數(shù)的設(shè)置以保證電流快速跟蹤為目的；電壓外環(huán)控制確保直流側(cè)電壓穩(wěn)定工作在最大功率點處，使外界環(huán)境發(fā)生變化時電路輸出仍然有最大的功率輸出，電壓外環(huán)控制一般采用比例積分控制。設(shè)濾波電感和線路的等效電阻為，則有： （21）對上式做拉氏變換，整理后可得到研究對象的傳遞函數(shù)為： （22）而脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可以視為一階慣性環(huán)節(jié)，即： （23）其中，為逆變器增益，大小等于逆變電路的直流電壓利用率。為逆變器開關(guān)周期。當逆變換環(huán)節(jié)處于高頻工作狀態(tài)時，開關(guān)周期非常小，可以近似為零，此時上式可簡化為： （24）為了減小電網(wǎng)電壓波動對電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的干擾，可加入電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)，此時電流控制方式為前饋反饋控制系統(tǒng)。這樣依靠反饋控制使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時準確地控制被調(diào)量等于給定值，而在動態(tài)過程中利用前饋控制有效地減少被調(diào)量的動態(tài)偏差[38]。PI控制算法采用雙閉環(huán)控制策略，電流內(nèi)環(huán)控制對于進入系統(tǒng)的擾動具有很好的抑制作用，改善了控制對象的動態(tài)特性，使控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性；采用電壓外環(huán)控制確保直流側(cè)工作于最大功率點處，提高了能量的利用效率；加入前饋控制環(huán)節(jié)，與反饋回路取長補短，進一步克服了電網(wǎng)電壓擾動對系統(tǒng)的影響。缺點是指令信號是電網(wǎng)電壓的基波正弦波，不是一個定值跟蹤系統(tǒng)，且指令信號中含有其他階次的諧波，僅采用PI控制是無法消除穩(wěn)態(tài)誤差的。 滯環(huán)控制滯環(huán)控制是把正弦電流基準值與輸出瞬時值比較得到的誤差量作為滯環(huán)比較器的輸入，其輸出用來控制逆變電路功率管的通斷。該控制方式選擇適當?shù)沫h(huán)寬很重要，環(huán)寬越小，跟蹤誤差越小，但開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大。該控制方式電路簡單、不用載波、電流響應(yīng)速度快，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波分量。但功率開關(guān)頻率隨負載電流的變化而變化，造成功率開關(guān)工作具有很大的不確定性，導致逆變器輸出電壓中諧波頻率隨開關(guān)頻率變化而變化，從而給輸出濾波器的設(shè)計帶來困難。圖 27 滯環(huán)控制框圖重復控制圖 28 重復控制框圖逆變器的輸出電流發(fā)生變形常常是因為逆變器的不受控制區(qū)域以及電網(wǎng)頻率波動的存在。內(nèi)模控制原理其中的重復控制原理能比較好的解決這個問題。在一個穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)中存在著外部輸入信號模型，這就是內(nèi)?？刂?。基于內(nèi)模原理的重復控制器具有良好的魯棒性與穩(wěn)態(tài)性能，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力電子波形控制中；重復控制器對于周期性指令信號可以獲得近乎無差的跟蹤特性，而對于外部周期性擾動以及當控制對象與所建立模型失配，或參數(shù)因為環(huán)境等而發(fā)生變化等因素具有較好的抑制能力[42]。重復控制器把給定信號和反饋信號的誤差作為控制指令，然后在下一個周期時把該誤差信號與給定信號相加，以消除輸出電流中的諧波分量。重復控制器包括周期延遲環(huán)節(jié)、低通濾波器和補償器，為一個基波周期內(nèi)的采樣次數(shù)。的作用是把當前周期的誤差信號作為下一周期控制的輸入信號，以消除每個周期中重復出現(xiàn)的擾動。為取值介于0和1之間的常數(shù)，實現(xiàn)上一周期衰減的周期擾動信號和本周期出現(xiàn)的擾動信號進行累加。是針對控制對象傳遞函數(shù)設(shè)計的補償器，目的是使控制對象具有零相移、單位增益的特性，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能[43]。對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)而言，取值為逆變器開關(guān)頻率與基波頻率的比值，即載波比。控制對象的傳遞函數(shù)為：控制對象在中低頻段增益接近于0，為加快高頻衰減，優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，設(shè)計一個二階低通濾波器，截止頻率設(shè)計為幅值曲線拐角附近的頻率，阻尼比 設(shè)計為大于1的常數(shù)。為增強對周期性擾動信號的快速跟蹤能力，消除由于加入低通濾波器帶來的低頻段的相位偏移，設(shè)計超前環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)在中低頻段具有零相移的特性。第三章 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真建模Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。本設(shè)計利用Simulink對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進行建模與仿真。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)建?？煞殖扇舾蓚€模塊：光伏列陣模塊、MPPT模塊、PWM波形成模塊、逆變器控制模塊、逆變器跟蹤電網(wǎng)控制模塊。下面對各個模塊進行仿真研究。 光伏列陣模塊仿真根據(jù)第二章所介紹的光伏電池數(shù)學模型可以推導得出任意光照強度G和光照環(huán)境溫度T條件下的硅太陽能電池非線性工程簡化數(shù)學模型公式, 利用Matlab/Simulink建立的光伏電池仿真測試模型如圖31。圖 31 光伏電池仿真模型在建立的Simulink系統(tǒng)模型比較大或很復雜時，可將一些模塊組合成子系統(tǒng)，這樣可使：l 模型得到簡化，便于連線；l 可提高效率，便于調(diào)試；l 可生成層次化的模型圖表，用戶可采取自上而下或自下而上的設(shè)計方法。將光伏電池子系統(tǒng)模型進行封裝形成光伏電池模塊。對建立的光伏電池進行測試仿真，給定光照強度G=1000，光照環(huán)境溫度T=25，觀察UI曲線、UP曲線，結(jié)果如圖333所示。圖 32 光伏電池IU曲線圖 33 光伏電池PU曲線觀察圖像可知，輸出的IU曲線和PU曲線均達到要求。由于單個光伏電池電壓較小，達不到系統(tǒng)所需電壓，故將幾個光伏電池進行串聯(lián)，形成光伏列陣，如圖34：圖 34 光伏列陣模塊模型運行后的波形圖如圖35：圖 35 光伏陣列輸出波形圖 MPPT模塊仿真最大功率跟蹤算法MPPT是應(yīng)用在并網(wǎng)系統(tǒng)的Boost升壓電路中，通過控制MOS管開斷，從而實現(xiàn)功率跟蹤。本文采用擾動觀察法，根據(jù)第二章算法流程圖，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，如圖36。圖 36 擾動觀察法仿真模型圖中，Cp為擾動步長。擾動步長太小，到達穩(wěn)態(tài)后精度較好，但跟蹤時間長且系統(tǒng)動態(tài)性能較差； 擾動步長太大， 跟蹤時間雖縮短，但到達穩(wěn)態(tài)后精度較差. 通過改變步長值（~），并對光伏系統(tǒng)模型進行仿真。運行后的波形圖為：圖 37 擾動觀察法仿真圖 PWM波形成模塊仿真采樣控制理論中有一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時,其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對半導體開關(guān)器件的導通和關(guān)斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。本文產(chǎn)生PWM波運用的是三角波比較方式，原理圖如圖38所示。圖 38 三角波比較方式原理三角波比較控制方式將正弦電流基準值與輸出瞬時值比較得到誤差量經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后送比較器，與三角波比較后得到的PWM信號去控制主電路功率管的導通與截止。該控制方式與電路跟蹤特性和PI電路參數(shù)有關(guān)，對于PI電路響應(yīng)快的系統(tǒng)，必須提高三角波載波頻率。三角波載波常使用三相三角波信號，以改善輸出電壓波形，該方法輸出電流的諧波脈動比滯后比較器方式少，因此，常用于對諧波和噪聲要求較高的地方[6］。仿真模型圖如下圖所示：圖 39 三角波比較方式模型圖運行結(jié)果：圖 310 PWM波形圖 逆變器跟蹤電網(wǎng)控制模塊仿真光伏逆變器實現(xiàn)并網(wǎng)運行必須滿足：其輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相同幅值，輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相（功率因數(shù)為1）而且其輸出還應(yīng)滿足電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求。在這里選擇雙閉環(huán)控制來實現(xiàn)光伏逆變器的并網(wǎng)，并網(wǎng)的實質(zhì)是控制全橋逆變電路的開關(guān)管