基于SVPWM的新型光伏并网逆变器的设计

1引言

随着经济的发展和世界人口的持续增加，太阳能的大规模应用已经成为世界各国共同研究的课题，而光伏并网系统是光伏发电的发展趋势。作为并网系统的核心部件，并网逆变器的开发已经成为业界关注的焦点问题。目前，市场上主流的逆变器基本上都是通过控制逆变器的输出电流，来实现并网所要求的逆变器的输出电压与电网电压同频同相。本文不仅仅单纯的控制逆变器的输出电流，而且增加了直流侧稳定电压的控制，很好的实现了逆变器的输出功率因数为1，达到逆变器的输出电压与电网电压同频同相的要求。

2光伏并网系统结构

光伏发电系统可以分为独立光伏系统和并网光伏系统。并网发电系统的结构框图如图1所示。

图1中，CHO为带最大功率控制的DC/DC升压开关电路，右侧交流输出部分为含LC滤波器的三相PWM逆变器（INV，以下简称逆变器）。逆变器的输出电流为i0，波形为不含直流成分的正弦波，且功率因数控制为1。本系统的滤波电容Ca上流过的电流为ic，通过直流电压ed的控制，使i0变化，在满足上述指标下，得到一种线性化直流控制规律。

3光伏并网逆变器的设计

3.1光伏系统对并网逆变器的要求：

（1）将光伏电池的直流电转换成适合电网的交流电，功率因数近似为单位功率因数。

（2）实现系统的安全保护要求，如输出过载保护、输出短路保护、输入接反保护、直流过保护、交流过压保护和欠压保护、“孤岛”保护等，从而确保系统的可靠性。

（3）最大功率点的跟踪，最大限度的利用太阳能电池，以提高逆变器的效率。

3.2逆变器主电路的设计

并网逆变器按控制方式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压控制四种。本文所采用的逆变器类型是电压源输入、电流源输出的控制方式。逆变器的主电路如图2所示。

3.3使逆变器输出功率因素为1的控制

如图1所示，在不考虑电网侧电压Us情况下，cos φ=1的控制主要是指如何使i0和检测出的Ua同相位，由逆变器交流输出可以写出如下关系式：

当太阳能电池的输出功率减小，亦即电流ia减小时，输出电流i0将主要由电容Ca供给放电电流ic，则cos φ=1的控制如图3虚线部分所示。ia是由ea直接控制的，故ia控制是主要的控制环节。利用Ua进行前馈控制，则ea的指令值可表示为

控制的目标是使ea和ea*相等，亦即

式中，。T(S)为ia的闭环传递函数，再由公式（2）可求出电流指令ia*，由ic=ia –i0的前馈控制，得到：ia*=i0* +ic。

再看i0控制环节，i0的传递函数为

式中，i0*=I0* sinωt，且设i0*和Ua同相，再把代入式（3）得

式中，i0*和电网电压Us均作为输入了来考虑，设T(S)=1时，则i0将不受Us的影响，而一直保持与i0*一致下面再对电流补偿环节Gi(S)进行。因i0*中含有电网电压Us的角频率ωs成分，则Gi(S)在ωs时的增益为无穷大，设通用内环数模的传递函数为

则在ω=ωs时T(S)=1，相位为0。其控制结果可做到cos φ=1。Gi(S)的系数由式（4）来求取，当稳定时，ω≤ωs，T(S)≈1或选为T(S)=0；当过渡过程变化不太快时，功率因数亦可认为为1。

3.4直流电压稳定的控制

逆变器直流输出回路方程式及直流与交流功率的关系式如下：

设直流电压控制系统的外部干扰为icp，由式（6）可见，ed受控于id，而由式（7）可见，id可通过eaia进行控制。ia虽可通过ea控制，但具有耦合性，故不能单独控制，需将式（6）、式（7）通过显性化处理后才能进行。由于对象是单相逆变器，故ea将按周期为1/2fs产生脉动（fs为电源频率fs=ωs /2π）。控制时应使es在1/2fs时的平均值为0，即可消除逆变器输出的直流成分。前述采样器S/H的周期设定为1/fs，则Ed的直流成分将按平均值来控制。若以ia的相位作为基准，则按式（7），直流成分作可线性化处理（△表示在采样周期内）

假设ea和ia的相位变化Δφ很小，则cos Δφ≈1，sinΔφ或Δφ接近0。此时，认为cosφ0(Ea0+Δ Ea)和Ia0+Δ Ia0为同相位。这里，ed和id的直流成分为Ed、id0，ea和ia的振幅值为Ea、Ia。

在一个采样周期内，ic的振幅变化量Δic非常小，故产生的ΔUa也很小，可以忽略不计。至于增量Δ Ea和Δ Ia间的关系，可用以下公式来表示，即。基于图3，考虑上述关系后，可绘出电压控制环节在平衡点附近的框图，如图4所示。该图中，关键部件是电压补偿器GV(S)。

GV(S)在设计时是考虑到太阳能电池为特殊电源，其发电量由于日照和温度的影响缓慢地变化；电压控制的带宽是考虑到T(S)和S/H为1的情况下来选定频域的，因此该控制系统可简化为一阶惯性，即

3.5仿真结果

在确定了控制方法的有效性后进行了仿真研究。如图3所示，系统中电流控制器Gi(S)选用标准型号ITAE，控制器的频带宽为500rad/s，则可定出常a3=0.59，a2=69，a1=3.4×104，a0=2.1×106。GV(S)电压控制器的带宽选为25rad/s，其放大系数和时间常数分别为KPV=0.1，TV=0.5。系统中逆变器的开关频率选为18kHz，采用SVPWM矢量控制的方法产生PWM波形对逆变器进行控制。

图5为控制逆变器输出电流的SVPWM子模块。通过电压、电流双闭环回路产生控制并网逆变器的PWM波。

图6为在SVPWM控制下的逆变器稳态工作时的仿真结果。从图中可以看出，当整个系统处于稳态运行状态时，可得到功率因数为1的畸变很小的交流电流ia。由于系统中直流电流的调节作用，ia几乎与光伏电池发电量的大小无关。虽然光伏电池的发电功率会时刻变化，但是电压环节仍然能稳定可靠的工作。

4结论

该逆变器控制系统的特点为：不仅单纯地控制交流电流，而且附加了稳定直流电压的控制。通过研究得出了以下的结论：

（1）电源侧的输出电流与太阳能电池发电大小无关，即使过渡过程中也能保cos φ=1。

（2）输出电流ia的直流成分得到了有效的控制。

（3）电压控制器的非线性模型经过线性化的设计，保证当电池板的发电量变化时，交流输出电流恒定，确认控制系统是稳定的。

（4）采用了SVPWM的控制方案，大大提升了系统的性能。