光伏单相逆变器并网控制技术研究

２０１４年第１期　河南电力　１５　

基于ＰＩ控制的单相光伏并网逆变器的仿真研究　

钱念书　

（东北电力大学，吉林，１３２０１２）　

摘　要：光伏逆变电源的控制部分是逆变器设计的重点，而随着工业用高速数字信号处理器的发展和应用。逆变电　源控制正由模拟控制向数字化控制转变。本文对光伏并网控制技术进行了分析对比，提出了基于电流的ＰＩ数字控　制技术，并对其进行仿真验证。实验结果表明，数字ｐＩ控制有效的改善并网电流波形，同时可保证逆变器输出电流　与电网电压同频同相。　关键词：逆变器　光伏并网　电流跟踪ＰＩ控制　中图分类号：ＴＭ７１２　文献标识码：Ｂ　文章编号：Ｘ（２０１４）０１—０１５—０４　

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｓｉｎｇｌｅ－Ｐｈａｓｅ　Ｓｏｌａｒ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＩ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　

Ｑｉａｎ　Ｎｉａｎ—ｓｈｕ　（Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｄｉａｎｌｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ　１　３２０　１　２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｆｏｃａｌ　ｐｏｉｎｔ　ｏｆ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ，　ａｎｄ　ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ＤＳＰ，ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎ　ｐａｒｔ　ｉｓ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ａｎａｌｏｇｕｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｏ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ（ｐＶ）ｇｒｉｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ，ａｎｄ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ＰＩ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ，ａｎｄ　ｃａｒｒｉｅｓ　ｉｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｉ　ｇｉｔａｌ　ＰＩ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｄ　

・智能电器及计算机应用・　低压电器（２０１０Ｎｏ２３）　

基于三角波载波控制的单相　

电压型并网逆变器研究　

郁军永，　李玉广　

（中国人民解放军６１７６４部队，海南三亚５７２０１３）　

摘要：针对单相电压型并网逆变系统，设计了电流内环、电压外环的双闭环控制　系统，建立了内外环数学模型；运用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立了单相并网逆变系统仿真　

模型，对双闭环控制系统及滤波电路的性能进行了验证分析。结果表明，基于三角波载　波的双闭环控制，具有较高的稳态精度和较快的动态响应。　

关键词：并网逆变器；双闭环控制；三角波载波控制　中图分类号：ＴＭ　４６４文献标志码：Ａ文章编号：１００ｔ一５５３１（２０１０）２３－００３７－０３　郁军永（１９８８一），　男，助理工程师，主　要从事供配电技术　研究。　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｓｉｎｇｌｅ・ｐｈａｓｅ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　

Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ　Ｃａｒｒｉｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　

ＹＵ　Ｊｕｎｙｏｎｇ，ＬＩ　Ｙｕｇｕａｎｇ　

（Ｔｒｏｏｐ　６１７６４，Ｓａｎｙａ　５７２０１３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｈａｓｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｏｆ　ｄｏｕｂｌｅ　ｃｌｏｓｅ　ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅ　ｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｓ　ｏｆ　ｉｎｎｅｒ　ａｎｄ　ｃｌｏｓｅ　ｌｏｏｐ　ｗｅｒｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｈａｓｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｄ・ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｗａｓ　ｔｅｓｔｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＡＴＬＡＢ／　

电子技术・Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

随着全球能源的日益匮乏，　太阳能作为可再生能源具有非常　广阔的发展前景　光伏发电并网　逆变器是太阳能并网的关键部分，　其性能的好坏直接关系到整个光　伏发电并网系统的性能。简要介　绍了光伏发电并网逆变器的基本　结构；分析了逆变桥电路的基本　工作原理；并提出了相位矫正的　锁相方法　随着并网逆变器技术　水平的不断提高，以及政府对太　阳能利用越来越多的有利政策的　提出，太阳能逆变器在中国必将　有巨大的市场。　【关键词】光伏发电逆变器并网相位矫正　锁相　近年来，随着煤炭、石油等不可再生能　源的匮乏，能源问题越来越受到世界各国的重　视。太阳能作为可再生能源，吸引了众多国家　的目光。太阳能并网逆变器作为太阳能发电系　统的核心部件，其作用就是将太阳能转换的直　流电能转变成交流电，并输送到电网上。目前，　位于欧洲的ＳＭＡ作为太阳能逆变器的龙头企　业占有了全球的三分之一的市场份额。国内由　于光伏并网率并不高，所以并网逆变器的市场　还远小于欧洲的市场规模。但随着政府对太阳　能利用的重视，越来越多的有利政策的提出，　太阳能逆变器在中国必将有巨大的市场。本文　介绍了光伏发电并网逆变器的基本结构和工作　原理，并提出了相位矫正的锁相方法。　１光伏发电井网逆变器的基本结构　根据与市电电压、电流的频率和相位的　不同，光伏发电并网逆变器可以分为两种，一　种是电压型，一种是电流型。电压型光伏发电　并网逆变器与市电的电压同频率且同相位；电　流型光伏发电并网逆变器与市电的电流同频率　且同相位。　光伏发电并网逆变器的主电路结构可以　分为工频隔离型、高频隔离型以及非隔离两级　型三种。工频隔离型逆变器电路由ＤＣ／ＡＣ全　桥电路以及工频变压器构成。其工作流程为电　池板将太阳能转化成直流电能，直流电由ＤＣ／　ＡＣ电路转化成正弦电流，最后经工频变压器　将电能输送到电网。高频隔离逆变器电路由　ＤＣ／ＡＣ、ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＡＣ以及高频变压器构成。　与低频隔离逆变器不同的是，高频隔离逆变器　将交流电通过ＡＣ／ＤＣ又转化成直流电，后经　后端ＤＣ／ＡＣ逆变产生与电网电压同频、同相　的电流输送到电网。非隔离型逆变器将直流电　通过ＤＣ／ＤＣ电路转换，后经逆变电路产生与　单相光伏发电并网逆变器研究　文／秦太虎　市电电压相同频率和相位的电流输送到电网。　２逆变桥电路的基本工作原理　根据电路的拓扑结构的不同可以将逆变　器分为单相全桥逆变器、三相半桥逆变器以、　三相全桥逆变器以及多电平逆变器四类。本文　所研究的为单相逆变电路。　’　单相逆变电路的电路图为将两个开关管　ＶＴ１和ＶＴ３串联，ＶＴ２和ＶＴ４串联，之后将　串联后的两组开关管并联，中间连接负载Ｒ。　这样当对开关管ＶＴ１和ＶＴ４、ＶＴ２和ＶＴ３同　时开通和关断时负载Ｒ两侧就会产生交流电　压。为了获得正弦波电压，在每半周期内两个　开关管组必须以某一特定的规律来动作，以使　得负载电压的有效值和正弦波在该时段内的有　效值相等，目前使用最多的是ＰＷＭ控制方法。　３逆变器的锁相技术简介　为了保证电网的稳定性，所有并入电网　的电流都要维持固定的相位和频率。光伏发电　的电量是随着光照强度而变化的，所以为了保　证并网逆变器输出电流的频率和相位与主电网　保持一致，就要用到并网逆变器的锁相技术。　并网逆变器的锁相主要有硬件锁相和数　字锁相两种技术。数字锁相一般是指通过ＤＳＰ　来对所采集到的电压和电流信号进行处理，使　其相位和频率保持稳定。目前，较为常用到的　一种锁相方法是正弦波正交锁相法。跟数字锁　相法相对应的是硬件锁相法。硬件锁相法和数　字锁相法相比，方法更为简单，也更为实用。　通过使电网电压通过监测元件ＬＶ２８．Ｐ以及运　放比较器，使其变为幅值为５Ｖ方波信号，再　通过ＢＬ８５６０来平滑信号波形。同时，将运放　输出的正选波信号上抬１．５Ｖ反馈回ＤＳＰ的Ａ／　Ｄ模块，这样就得到了捕捉单元所获得的信号　与市电电压的关系，如图１。从而实现硬件锁　相。　＾市电电压　／　＼　／　＼　｜ｋ　■　，士ｃ＝ｌ　｛　／　｛　１函　输入信号　／　一　捕获环节＼　／　的延时＼　／　＼　／　＼　／　＼＼一／　图１：电网电压和捕获信号关系图　４孤岛效应及反孤岛效应的方法　并及时脱离电网，而是维持供电状态，这样分　布式供电装置就成为直接向负载供电的电源。　光伏发电装置作为分布式供电装置的一种，也　会造成孤岛效应。孤岛效应会对电网的安全运　行造成很大的危害，严重时会造成用电设备的　损坏甚至是人身伤害。　反孤岛效应的方法就是及时的发现并监　测孤岛效应。目前，孤岛效应的检测方法分为　被动检测法和主动检测法两种。被动检测法是　通过不断监测系统的输出来判断是否存在孤岛　效应。主动检测法则主动对电网系统的参数进　行扰动，通过监测电网的响应来判断孤岛效应　的发生与否。　５结论　本文主要对光伏发电并网逆变器进行了　介绍。随着全球能源的日益匮乏，太阳能作为　可再生能源具有非常广阔的发展前景。光伏发　电并网逆变器是太阳能并网的关键部分，其性　能的好坏直接关系到整个光伏发电并网系统的　性能。简要介绍了光伏发电并网逆变器的基本　结构；分析了逆变桥电路的基本工作原理；并　提出了相位矫正的锁相方法。随着并网逆变器　技术水平的不断提高，以及政府对太阳能利用　越来越多的有利政策的提出，太阳能逆变器在　中国必将有巨大的市场。　参考文献　［１】许颜，张崇巍，张兴，曹仁贤．基于　Ｂｏｏｓｔ变换器的光伏并网逆变控制系统的　研究…．电源技术应用，２００６（１）：１２—１　５．　【２］杨金柱，金新民．最大功率跟踪的广发　并网逆变器研究［Ｊ】．北方交通大学学　报，２００４（２）：１７－２　５．　［３］顾和荣，杨予龙，邬伟扬．并网逆变器输　出电流滞环跟踪控制技术研究［Ｊ】．中国　电机工程学报，２００６，２６（９）：１　０８—１１　２．　［４】曲正伟，殷柱梁．并网运行的孤岛监测放　松法综述【Ｃ】．中国电工技术学会电力电　子学会２００４年第九届学术年会，ＰＰ３３８—　３４５．　［５】刘树明．太阳能光伏发电系统的设计与施　工／（日）太阳能发电协会编［Ｍ］．北京：　科学技术出版社，２００６．　作者简介　秦太虎（１９８２－），男，浙江省杭州市人。大学　本科学历。现为东元总合科技（杭州）有限公　司助理工程师，主要从事风电逆变器，永磁同　步电机数字控制，ＰＷＭ整流器及电力电子数字　控制应用。　篓曼　烹　．　断　技　栅公司浙江糊　时，其分布式供电装置不能迅速的发现故障，　～３　１０。０１…３…　…‘　“　……　１３０・电子技术与软件工程Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

微网的光伏系统并网运行和离网运行的控制策略

【摘要】光伏微网逆变器分为并网运行和离网运行双模式。本文详细分析和研究微网逆变器的控制策略，确定了在离网工作模式下的电压闭环控制策略和在并网工作模式下的瞬时电流控制策略。根据选定的控制策略分别对其控制系统进行了建模仿真和相关参数的设计，并利用Matlab/Simulink软件对并网和离网模式以及两种模式之间的相互切换进行仿真，仿真结果证明了本文所采用的控制方法的正确性和有效性。

【关键词】光伏微网；微网逆变器；并网；离网

微网是一种由负荷和各种微型电源共同组成的系统，它可以同时提供电能和热量。光伏微网发电技术是介于离网型光伏发电和并网型光伏发电之间的前沿技术，既结合了两种技术优点，又克服了并网型光伏发电只能将能量输送到电网所带来的缺陷，并且可以解决离网型光伏发电效率低下的问题，在国际上受到了广泛的重视，有实际的研究价值。

1.微网逆变器的工作模式

1.1 并网工作模式

在太阳光照充足的情况下，微网逆变器一般工作于并网模式，除了保证本地重要负载正常工作外，还可把多余的电能输送给电网，可等效于传统的并网型逆变器。

根据控制对象的不同，并网逆变器的输出控制方式有电压控制和电流控制两种，在逆变器与电网进行并联运行时，电网可看作一个容量无穷大的交流电压源，如果用电压型控制，则与电网之间很容易产生环流，所以并网逆变器的输出经常采用电流型控制，只要将逆变器的输出电流跟踪电网电压，同时设定输出电流的大小，就可以实现稳定并网运行，其控制方法相对简单，效果也较好。

1.2 离网工作模式

具有离网单独运行的能力是微网逆变器最重要的特点之一。当电网出现故障时，信号采样电流检测到电网故障，发出电网故障信号，经过DSP处理，发出指令，微网逆变器切换到离网模式，通过断开静态开关，利用蓄电池的储能，为本地重要负荷提供不间断供电，保证重要负荷供电的可靠与稳定。

微网逆变器离网运行的输出控制法也可分为电流型控制法和电压型控制法。电压型控制法一般是以输出电容电压作为受控目标，整个系统可等效为一个内阻很小的受控电压源。只需要微网逆变器输出与电网电压同频同幅的电压信号，就可以满足重要负荷在额定电压下正常工作。