光伏并网发电系统及其控制策略的研究与仿真

第21卷第19期系统仿真学报©V ol. 21 No. 19 2009年10月Journal of System Simulation Oct., 2009 光伏并网发电系统及其控制策略的研究与仿真郑诗程, 刘伟（安徽工业大学电信学院, 马鞍山 243002）摘要：详细分析、研究了太阳能光伏并网发电系统的工作原理, 建立了系统功率输出级的数学模型; 提出了基于改进型重复控制和电网电压前馈控制相结合的复合控制策略, 重复控制可以抵消周期性的负载扰动, 改善稳态情况下的并网电流波形; 电网电压的前馈控制可以抵消电网的影响,使系统近似成为一个简单的无源跟随系统; 在MATLAB/SIMULINK环境下建立了系统功率输出级的仿真模型, 并分别采用了不同的控制策略进行仿真; 结果表明, 在电网电压畸变时, 本控制策略可以更有效改善并网电流的波形, 降低并网电流的总谐波畸变率（THD）.关键词：光伏并网; 重复控制; 前馈控制; 总谐波畸变率中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2009) 19-6161-05 Study and Simulation on Photovoltaic Grid-connected Generation Systemand Its Control StrategyZHENG Shi-cheng, LIU Wei(Electrical and Information School of Anhui University of Technology, Ma’anshan 243002, China) Abstract: The principle of photovoltaic grid-connected generation system was analyzed, and the equivalent power output stage model of system was established. The compound control strategy, which combined the improved repetitive control with feed-forward control of utility-grid voltage, was proposed. The periodic disturbance of the load might be restrained by the repetitive control, and the waveform of grid-connected current under of steady state was improved. Simultaneously, the influence of utility-grid voltage could be counteracted with the feed-forward control and the system is approximate to be a passive tracking system. The power output stage model of system was established under Matlab / Simulink, and different control strategies were compared. The results prove that the waveform of grid-connected current can be improved better by the compound control strategy when the utility-grid is distorted, and the THD of grid-connected current is reduced.Key words: photovoltaic grid-connected; repetitive control; feed-forward control; total harmonics distortion (THD)引言近年来，随着能源消耗的大规模增加、环保意识的逐渐提高，以太阳能为代表的可再生能源发电受到了广泛重视，并网发电装置的应用逐渐增多。

然而，随着投入使用的并网发电装置增多，其输出的并网电流谐波对电网电压的污染也不容忽视，根据相关标准[1]，并网逆变器输出的电流波形总谐波畸变率（THD）应该小于5%，各次谐波畸变率应小于3%。

基于此，本文采用了电压前馈控制和改进型重复控制相结合的复合控制策略[2-4]，并在Matlab\Simulink环境下进行了仿真研究。

结果表明，电网电压的前馈控制可以抵消电网的影响，使系统近似成为一个简单的无源跟随系统；并网电流的重复控制可以抑制周期性的负载扰动，改善稳态情况下的并网电流波形，降低对电网的污染。

1 光伏并网发电系统的结构及工作原理1.1 光伏并网发电系统的结构光伏并网发电系统的结构如图1所示。

收稿日期: 2007-09-24修回日期: 2007-12-17基金项目：国家自然科学基金项目（50707003），安徽省科技厅年度重点计划项目（06022010）作者简介：郑诗程(1972-), 男, 安徽合肥人, 博士, 副教授, 研究方向为太阳能光伏发电技术, 电力电子功率变换技术; 刘伟(1982-), 男,江苏宿迁人, 硕士生, 研究方向为电力电子功率变换技术。

图1所示为两级式光伏并网发电系统，它包括DC/DC 和DC/AC两个部分。

其中，DC/DC称为系统的前级，DC/AC 称为系统的后级。

前级为高频直流升压变换器，此处采用了单管、单端、正激式高频DC/DC升压变换器结构，将来自于光伏阵列的低压直流电升到360V高压直流电，以供给后级DC/AC用。

系统的后级为逆变输出级，采用单相全桥结构，实现将前级输出的360V高压直流电逆变为高频SPWM 波，经过电感滤波后向电网馈入标准的正弦电流波形。

和传统的并网装置相比较，图1中系统的逆变输出级（DC/AC）省却了工频变压器，从而提高了系统的效率，降低了系统的体积和重量。

图1 光伏阵列并网发电系统结构1.2 并网逆变器功率输出级的等效模型由系统的控制目标可知，系统为输出电流受控的电压型2009年10月 系统 仿 真 学 报 Oct., 2009有源逆变器，逆变器的输出侧呈现受控电流源特性。

系统采用单极性SPWM 控制方式，单相全桥结构的两个桥臂分别输出相位差互为180°的高频SPWM 波，经过电感滤波后，去除高频载波信号，向电网馈入高质量的正弦电流波形。

由图1可知，光伏阵列输出的直流电压先经过高频DC/DC 升压后再经过全桥逆变和电感滤波，最后以正弦电流的方式将能量馈入电网，整个系统成本低、效率高。

图2所示为光伏并网发电系统功率输出级的等效电路模型。

其中，r 为滤波电感L 及线路的等效电阻；Unet 是电网电压；Uab 为逆变器输出的高频SPWM 波，经过滤波环节后，向电网馈入与其同频同相的正弦基波电流。

图2 电流控制型电压源逆变器的等效电路模型如果在图2中取电感电流i L 为状态变量，则由图2可得：L ab net L diU U L i r dt =++ (1)由式(1)经过Laplas 变换，可解出()L I s ： 1()[()()]L ab net I s U s U s sL r=−+ (2) 即控制对象的传递函数为11()G s sL r =+ (3) 当忽略功率器件和死区时间等非线性因素的影响时，逆变桥路和SPWM 脉宽调制器可视为一阶惯性环节，即2()1PWM KG s Ts =+ (4)其中，T 为逆变器的开关周期；K PWM 为逆变器增益。

当开关频率较高时，Ts +1 ≈ 1，故(4)式可简化为2()PWM G s K = (5) 由式(3)和(5)可得，系统功率输出级的开环传递函数为12()()()1PWMPWM K Kr G s G s G s L sL r s r =⋅==++ (6)由于滤波电感的等效电阻r 很小，故系统的稳定裕度小，稳定性差；在实际应用中应加入相应的调节器，以改造其动力学特性，使其成为一个稳定裕度大、稳定性好的系统。

2 电网电压前馈控制的策略研究由以上所述可得到系统的并网电流闭环控制结构图，如图3所示。

和无源逆变不同，并网逆变器为有源逆变，其负载为电网，因此，在公共节点处，电网电压值可能会因为回路上其图3 并网电流闭环控制结构图它交流负载的变化而发生突变，此时，并网电流波形就可能会畸变。

分析如下：由图3可知，当电网电压突变（设由net u 变为net u ＋u Δ）时，相应的系统输出并网电流L i 的变化量为3123()1()()()L G s i u G s G s G s Δ=−Δ+ (7)也就是说，当电网电压突然增加时，并网电流减小L i Δ，出现了稳态误差。

为了抑制电网的瞬时扰动对并网电流的影响，可以采取以下两种方法：1) 由式(7)可以看出，只要使开环增益 123()()()G s G s G s >>1并且12()()G s G s >3()G s ，则可得到在电网电压突变时对并网电流的影响基本为零，即0L i Δ≈；2) 增加电网电动势的前馈补偿控制环节。

由于方法(1)虽然能够消除电网电压突变对并网电流跟踪的非线性扰动影响，但是，此时电路的开环增益取值较大，系统会产生较大的电磁干扰和噪声，并且系统的稳定裕度减小，因此，为了获得较好的抑制电网扰动的效果，系统采用了电网电动势前馈控制策略，以抵消电网的扰动，使系统近似成为一个无源跟随系统，从而简化了系统的控制结构，改善了系统的控制效果。

从控制原理来看，前馈控制实际上是采用开环控制方式去补偿可测量的扰动信号，因此，前馈控制不会改变控制系统的特性；从抑制扰动的角度来看，前馈控制可以减轻反馈控制的负担，这样，反馈控制的增益可以取得小一些，有利于系统的稳定。

图4为具有电网电动势前馈补偿的控制框图。

图4 具有前馈补偿的控制框图由图4可以进行类似分析：当电网电压突变（设由net u 变为net u u +Δ）时，相应的系统输出并网电流L i 的变化量为323123123()()()()1()()()1()()()n L G s G s G s G s i u u G s G s G s G s G s G s Δ=−Δ+Δ++[]32123()()()11()()()n G s G s G s uG s G s G s −=Δ+(8)2009年10月 郑诗程，等：光伏并网发电系统及其控制策略的研究与仿真 Oct., 2009由此可知，当电网电压前馈补偿环节的传递函数()n G s 为211()()n pwmG s G s K == (9)时，则电网电动势的扰动影响可以完全消除。