光伏并网逆变器控制设计

第22卷第2期北华大学学报(自然科学版)Vol.22No.22021年3月JOURNAL OF BEIHUA UNIVERSITY(Natural Science)Mar.2021文章编号:1009-4822(2021)02-0267-08DOI :10.11713/j.issn.1009-4822.2021.02.026基于自抗扰控制的单相光伏并网逆变控制器设计许晋飞1,刘德君2,薛若楠1(1.北华大学电气与信息工程学院,吉林吉林㊀132021;2.北华大学工程训练中心,吉林吉林㊀132021)摘要:传统的双环PI 控制无法满足LCL 并网逆变器电流谐波,输出电压扰动大;线性自抗扰技术可以通过线性扩张状态观测器和线性控制律对总扰动进行实时估计和补偿,大大提高并网逆变控制器的性能.为提高系统输出对电网电压扰动的抑制能力和系统的起动性能,引入电网电压前馈控制策略,提出基于自抗扰控制的电网电压前馈控制策略,采用MATLAB 软件进行仿真.仿真结果表明,基于线性自抗扰控制下的单相光伏并网控制系统可实现对入网电流的无静差跟踪,提高了系统抑制电网电压扰动的能力,入网电流的总谐波失真小.关键词:LCL 滤波器;并网逆变器;双电流环结构;线性自抗扰控制;电网电压前馈控制中图分类号:TM464文献标志码:A收稿日期:2020-11-16基金项目:吉林省教育厅科学技术研究项目(2015148).作者简介:许晋飞(1996 ),男,硕士研究生,主要从事电力系统自动控制及非线性控制理论研究,E-mail:2295757721@;通信作者:刘德君(1971 ),男,博士,教授,主要从事电力传动及非线性控制理论研究,E-mail:dejunliu@.Controller Design of Single Phase PV Grid-connected Inverter Based on Active Disturbance Rejection ControlXU Jinfei 1,LIU Dejun 2,XUE Ruonan 1(1.College of Electrical and Information Engineering ,Beihua University ,Jilin 132021,China ;2.Engineering Training Center of Beihua University ,Jilin 132021,China )Abstract :The traditional double loop PI control can not satisfy the large current harmonic and output voltage disturbance of LCL grid connected inverter,linear active disturbance rejection technology can estimate and compensate the total disturbance in real time through linear extended state observer and linear control law,which greatly improves the performance of grid connected inverse variable controller.In addition,in order to improve the ability of the system output to suppress the grid voltage disturbance and the starting performance of the system,the grid voltage feedforward control strategy is introduced.Therefore,this paper proposes the grid voltage feedforward control strategy based on active disturbance rejection control.MATLAB software is used to simulate and verify that the single-phase photovoltaic grid connected control system based on linear active disturbance rejection control can realize no steady-state error tracking of the incoming current,which improves the ability of the system to suppress the grid voltage disturbance,the total harmonic distortion of the incoming current is small.Key words :LCL filter;grid-connected inverter;double loop controller;linear active disturbance rejection controller(LADRC);grid voltage feedforward control近年来,作为清洁能源的太阳能受到了国内㊁外学者的普遍关注.并网逆变器是单相光伏并网发电系统的主要元件之一,能够将光伏阵列产生的直流电逆变转换为交流电,从而实现光伏并网发电系统准同步并网或同步并网[1],而其控制技术的优劣直接影响到系统入网电流的电能质量,因此,研究逆变器的并网控制技术具有重要的现实意义.针对光伏发电系统存在的并网功率波动大㊁谐波含量高㊁系统稳定性差等问题,学者们开展了深入研究,提出了双电流环控制结构[2]㊁线性自抗扰控制的有源阻尼方法[3]㊁基于准PR 控制器的陷波滤波器控制策略[4]㊁电网电压比例前馈控制策略[5]等控制方法.本研究在分析LCL 单相光伏并网逆变控制系统原理的基础上,将系统的电流外环引入线性自抗扰控制器,并将其与电网电压前馈控制相结合,设计一个以三阶线性自抗扰控制器为基础的控制系统,实现对入网电流的快速无静差跟踪,对扰动的抑制能力更强;根据并网逆变系统元件参数,对LCL 滤波器参数的设计进行详细分析,并通过MATLAB 仿真对控制系统抑制电网电压波动的性能进行验证.1㊀系统结构及数学模型LCL 型单相光伏并网逆变器控制系统结构见图1.其中:VT 1~VT 4为绝缘栅双极型晶体管;L 1㊁L 2㊁C 分别为LCL 型逆变器的逆变侧电感㊁网侧电感和交流侧滤波电容;U dc ㊁u 分别为直流输入电压和逆变器的输出电压;i 1㊁i 2㊁i c 为逆变器侧电感电流㊁并网侧电感电流和电容电流;U PCC 为网侧测量公共耦合点电压,用于锁相环和电网电压前馈控制.图1LCL 型单相光伏并网逆变器控制系统结构Fig.1Structure of LCL single phase PV grid-connected inverter control system 由图1LCL 逆变系统的拓扑结构可推导出逆变器输出电压u 到并网侧电感电流i 2的传递函数:G (s )=I 2(s )U (s )=1L 1L 2Cs 3+L 1+L 2()s .(1)由式(1)可知,由LCL 滤波器组成的系统为三阶系统,其发生谐振时的频率为f =12πL 1+L 1L 1L 2C.由于引入无源阻尼电阻会使系统产生很大的损耗,因此,本文设计的控制系统采用双闭环控制结构:内环采用电容电流反馈的有源阻尼控制,不仅可以有效降低LCL 滤波器的谐振尖峰,而且不产生附加损耗;外环采用线性自抗扰进行控制.双闭环控制系统数学模型见图2.图2电流双闭环控制结构Fig.2Control structure of current double closed loop㊀㊀由图2可推导出外环控制器由输出i ∗c 到入网电流i 2的系统开环传递函数:G A =G c 2G INV G 1G 2G 31+G 1G 2+G 2G 3+G c 2G INV G 1,(2)其中:G 1=1/(sL 1),G 2=1/(sC ),G 3=1/(sL 2),逆变桥近似为G INV =k PWM =380,内环通常采用比例控制器,能够提高系统的动态性能,设G c2=k c .则式(2)可以化简为G A (s )=k c k PWM L 1L 2Cs 3+k c k PWM L 2Cs 2+(L 1+L 2)s .862北华大学学报(自然科学版)第22卷2㊀LCL 滤波器参数选取为了抑制逆变器等非线性负载工作时产生的谐波,降低入网电流的总谐波失真(total harmonic disto-rtion,THD),需要在逆变器的终端添加一个三阶LCL 滤波器.由于滤波器参数的选择会直接影响到系统的稳定性,因此,研究系统中LCL 滤波器的参数具有重要意义.本文设计系统中的元件参数见表1.表1㊀系统元件参数Tab.1㊀System component parameters 参量数值电网电压U g /V 220电网频率f g /Hz 50开关频率f s /kHz 20直流侧电压U dc /V 400系统容量P n /(kV㊃A)3逆变侧电感参数L 1的大小与纹波电流和系统功耗有关.一般情况下,规定电流纹波为额定电流的10%~20%,本文按照20%的电流纹波进行电感值计算.L 1ȡU dc 7f s I n ˑ20%.式中:I n 为相电流的额定值.滤波电容C 的大小与系统容量㊁谐振频率有关.如果滤波电容C 较大,则流过其他器件的电流将较大,从而增加系统损耗,降低整个系统效率;如果滤波电容C 较小,则LCL 系统要实现相同的滤波效果,电感值会较大.C ɤ5%ˑP n 6πfU 2g.网侧电感L 2由LCL 滤波器系统整体性能决定.文献[6]已经证明了逆变侧电感L 1决定输出电流纹波的大小;网侧电感L 2和滤波电容C 对高频电流起到分流作用,滤波电容给高频分量提供了一个低阻通道.为了保障系统具有良好的分流效果,需要满足X c <X L 2ˑ20%.综上所述,系统使用的LCL 滤波器参数分别为L 1=3.3mH,L 2=2mH,C =5μF .3㊀系统控制器设计3.1㊀线性自抗扰控制器设计LADRC 是一种不依赖于被控对象模型的新型控制技术,将外部扰动和内部动态参数变化的总扰动视为一个状态,利用线性扩张状态观测器对其进行实时观测和补偿,结合特殊的线性控制律实现良好控制,具有超调小㊁响应速度快㊁控制精度高㊁抗干扰能力强等特点[7].由于高阶线性自抗扰跟踪速度更快,抑制扰动的能力更强,且适用于扰动较大的低频系统[8],因此,本文以三阶线性自抗扰为例进行设计.LADRC 控制器结构见图3.图3LADRC 控制器结构Fig.3Structure of LADRC controller由图3可见,自抗扰控制器基本结构是由线性扩张状态观测器(LESO)㊁线性误差反馈控制率(LSEF)㊁补偿扰动3种功能组合而成[9-10].以三阶系统为例,其被控系统可以描述为y‴=f (y ,yᶄ,yᵡ,ω,t )=-a 2yᵡ-a 1yᶄ-a 0y +ω+bu ,(3)式中:u ㊁y 分别为对象输入与输出;ω为对象扰动;a 1㊁a 2㊁a 3为系数,其值未知;b 为正的输入增益,其值未962第2期许晋飞,等:基于自抗扰控制的单相光伏并网逆变控制器设计知,但是有标称值b 0>0.式(3)可以改写成y‴=-a 2yᵡ-a 1yᶄ-a 0y +ω+(b -b 0)+b 0u =f +b 0u .(4)线性扩张状态观测器LESO 和线性误差反馈控制率LSEF 的表达式见式(5)与式(6).LESO Zᶄ1=Z 2+β1(y -Z 1),Zᶄ2=Z 3+β2(y -Z 1),Zᶄ3=Z 4+β3(y -Z 1)+b 0u ,Zᶄ4=β4(y -Z 1),ìîí(5)式中:β1㊁β2㊁β3㊁β4为张状态观测器参数;Z 1为对系统输出y 的估计值;Z 2为对系统输出y 的一次微分估计值;Z 3为对系统输出y 的二次微分估计值;Z 4对系统总扰动f 的估计值.LSEF u 0=k 1(r -Z 1)-k 2Z 2-k 3Z 3,u =u 0-Z 4b 0,ìîí(6)式中:k 1㊁k 2㊁k 3分别为线性控制组合的控制参数.3.2㊀电网电压前馈控制在外环控制器为线性自抗扰的基础上,为提高系统的抗干扰能力,确保并网电流满足并网标准,需要抑制电网电压波动对系统输出的影响.目前,抑制电网电压波动的方法主要分为两大类:一类是通过增大基波或者谐波频率处的环路增益来提高系统的稳定性;另一类是采用电网电压前馈控制策略.本研究采用电网电压前馈控制策略,不仅可以抑制入网电流中的多种谐波含量,而且控制器结构相对简单,不影响光伏发电系统中入网电流环路增益,可以有效减少并网电流的稳态误差[11-12].系统电网电压前馈控制策略见图4.图4系统电网电压前馈控制策略Fig.4Control strategy of system grid voltage feedforward结合线性误差反馈控制律(式6),可以将系统简化为图5所示的等效模型.图5系统等效模型Fig.5System equivalent model㊀㊀通过系统等效模型可将系统简化为图6所示的等效模型.其中,G x 1和G x 2的传递函数如下:072北华大学学报(自然科学版)第22卷图6电网电压前馈控制等效模型Fig.6Equivalent model of grid voltage feedforward control G x 1=k PWM G 1G 2G c 1G c 21+G 1G 2+G 1G c 2k PWM ,G x 2=G 3+G 1G 2G 3+G 1G 3G c 2k PWM 1+G 1G 2+G 2G 3+G 1G c 2k PWM.根据图6可得到并网电流的表达式i 2=G x 1G x 21+G x 1G x 2H i ∗2-G x 21+G x 1G x 2H u g .(7)由式(7)可以看出,电网电压u g 的基波分量会造成入网电流i 2与其参考信号之间存在稳态误差,若谐波分量过多则会造成入网电流发生畸变.因此,需要在电网电压u g 和i 2之间引入一条传递函数为G f 的支路,这样就可以完全消除u g 对i 2的影响.G f =1k PWM+CH i s +L 1C k PWM s 2,(8)式中:H i 为一次微分项的参数.由式(8)可见,单相LCL 并网逆变器的电网电压前馈函数由比例项㊁一次微分项和二次微分项3项组成[11].由于所设计的系统中电网电压主要含有低次谐波,电网电压比例前馈足以消除电网电压对并网电流的影响,因此,可将前馈函数简化为G f =1k PWM.4㊀仿真试验为了检验所提出的基于线性自抗扰控制的电网电压前馈控制策略的性能,根据图4的系统结构搭建仿真模型,并与传统的双环PI 控制器进行对比.系统元件参数见表1,其中,逆变器采用单极性倍频SPWM 调制.表2㊀LADRC 控制器参数Tab.2㊀Parameters of LADRC controller LESO 参数LSEF 参数b 0=1010β1=7ˑ105k 1=5ˑ1010β2=4ˑ109k 2=4ˑ106β3=1.9ˑ1013k 3=1800β4=4ˑ1016若系统为传统的比例-积分双环控制,由文献[13]可知,其内㊁外环控制器电流内环比例控制器参数k c =0.15;电流外环PI 控制器参数k p =0.75,T i =0.418.若系统为LADRC-PI 双环控制,则其电流内环比例控制器k c =0.15;外环LADRC 控制器参数见表2.传统比例-积分双环控制与LADRC-PI 双环控制入网电流的对比波形(无前馈)见图7,入网电流谐波分析(无前馈)见图8,入网电流幅值和畸变率(无前馈)对比见表3.图7入网电流波形对比(无前馈)Fig.7Comparison of incoming current waveform (without feedforward )172第2期许晋飞,等:基于自抗扰控制的单相光伏并网逆变控制器设计图8入网电流谐波分析(无前馈)Fig.8Harmonic analysis of incoming current (without feedforward )表3㊀入网电流参数对比(无前馈)Tab.3㊀Comparison of network current parameters(without feedforward )控制器幅值/ATHD /%PI-PI 6.3890.75LADRC-PI 6.4800.19图9电网电压u g 波形Fig.9u g waveform of power grid voltage㊀㊀仿真结果表明:与传统的比例-积分双环控制策略相比,LADRC-PI 双环控制策略解决了传统PI 控制器在对电流信号跟踪时难以实现无静差控制的问题.LADRC-PI 双环控制的系统入网电流畸变率明显减小,电流曲线光滑无毛刺,谐波含量大大减少,可以实现对入网电流信号的无静差跟踪,并且具有动态性能好㊁抗扰动能力强的特点,入网电流的电能质量得到了明显改善.在与LADRC-PI(无前馈)控制器具有相同控制器参数的基础上,引入电网电压前馈控制策略.为了检验该控制策略对系统电网电压扰动的抑制作用,电网电压u g 在0.04秒时加入5sin(ωt )的基波电压扰动,在0.1秒时加入10sin(ωt )的基波电压扰动.电网电压u g 的波形见图9,LADRC-PI 双环控制(无前馈)与LADRC-PI 双环控制(有前馈)入网电流的波形对比(有前馈)见图10,入网电流谐波分析见图11㊁图12,入网电流幅值和电流畸变率(有前馈)对比见表4.图10入网电流波形对比(有前馈)Fig.10Comparison of current waveforms of network access (with feedforward )表4㊀入网电流参数对比(有前馈)Tab.4㊀Comparison of network current parameters (with feedforward )控制器扰动幅值/A THD /%LADRC-PI LADRC-PI +前馈5sin(ωt ) 6.4846.4810.770.30LADRC-PI LADRC-PI +前馈10sin(ωt ) 6.5046.491 3.481.94272北华大学学报(自然科学版)第22卷图11扰动为5sin (ωt )时入网电流谐波分析Fig.11Harmonic analysis of incoming current when the disturbance is 5sin (ωt)图12扰动为10sin (ωt )时入网电流谐波分析Fig.12Harmonic analysis of incoming current when the disturbance is 10sin (ωt)图13电容电流波形Fig.13Waveform of capacitance current ㊀㊀由图10~12和表4可见,当系统的电压扰动为5sin(ωt )时,有前馈和无前馈的系统波形都满足入网需要,但有前馈的控制系统电流畸变率仅为0.30%,入网电流的电能质量更好;当系统的电压扰动较大(10sin (ωt ))时,无前馈的控制系统已经难以实现无静差跟踪,围绕参考电流上㊁下波动,而有前馈的控制系统可以更好地抑制电网电压波动,跟踪过程中没有稳态误差.系统为LADRC-PI 双环控制(有前馈)时的电容电流波形见图13,电流波形的相位误差见图14.由图14可见,基于线性自抗扰控制的电网电压前馈控制策略系统可以实现并网电流与电网电压的同频同相,符合国家电能质量的并网标准.图14线性自抗扰控制下电流波形的相位差Fig.14Phase difference of current waveform under linear active disturbance rejection control372第2期许晋飞,等:基于自抗扰控制的单相光伏并网逆变控制器设计472北华大学学报(自然科学版)第22卷5㊀小㊀㊀结针对单相光伏并网逆变系统,本文提出了一种基于线性自抗扰控制的电网电压前馈控制策略,通过仿真验证了该控制策略的正确性和可靠性.仿真结果表明,该策略不仅能够实现对入网电流的无静差跟踪,而且还能够有效改善入网电流的畸变率,提高系统的抗扰动能力.另外,该控制策略不需要准确的数学模型,极大地提高了并网电能质量和并网系统的可靠性,体现了该控制算法作用于光伏并网系统的优越性.但本文仅对单相光伏并网发电系统进行了设计,并未研究更深层次的三相光伏并网发电系统,今后将在这方面进行深入研究.参考文献:[1]张兴,曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京:机械工业出版社,2010.[2]易桂平,黄慧春,胡仁杰.基于LCL输出滤波器的双环控制并网逆变器研究[J].太阳能学报,2016,37(1):40-46.[3]吕勤,王金跃,周竹菁.LCL滤波并网逆变器的自抗扰控制[J].电力电子技术,2020,54(1):5-9.[4]李彦哲,保婷婷.三相LCL光伏并网逆变器的新型入网控制策略[J].控制工程,2018,25(8):1511-1515.[5]XIE Shaojun,XU Jinming,TANG Ting.Improved control strategy with grid-voltage feedforward for LCL-filter-based inverter connected to weak grid[J].IET Power 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第一章绪论1.1 光伏发电背景与意义作为一种重要的可再生能源发电技术，近年来，太阳能光伏(Photovoltaie，PV)发电取得了巨大的发展，光伏并网发电已经成为人类利用太阳能的主要方式之一。

目前，我国已成为世界最大的太阳能电池和光伏组件生产国，年产量已达到100万千瓦。

但我国光伏市场发展依然缓慢，截至2007年底，光伏系统累计安装100MWp，约占世界累计安装量的1％，产业和市场之间发展极不平衡。

为了推动我国光伏市场的发展，国家出台了一系列的政策法规，如《中华人民共和国可再生能源法》、《可再生能源中长期发展规划》、《可再生能源十一五发展规划》等。

这些政策和法规明确了太阳能发电发展的重点目标领域。

《可再生能源中长期发展规划》还明确规定了大型电力公司和电网公司必须投资可再生能源，到2020年，大电网覆盖地区非水电可再生能源发电在电网总发电量中的比例要达到3％以上。

对于这一目标的实现，光伏发电无疑会起到非常关键的作用。

当下，我国地方和企业正积极共建兆瓦级以上光伏并网电站，全国已建和在建的兆瓦级并网光伏电站共11个（2008年5月前估计），典型的如甘肃敦煌10MW 并网光伏特许权示范项目，青海柴达木盆地的1000MW大型荒漠太阳能并网电站示范工程，云南石林166MW并网光伏实验示范电站。

可以预见，在接下来的几年里，光伏并网发电市场将会为我国摆脱目前的金融危机提供强大的动力，光伏产业依然会持续以往的高增长率，光伏市场的前景仍然令人期待。

光伏并网发电系统是利用电力电子设备和装置，将太阳电池发出的直流电转变为与电网电压同频、同相的交流电，从而既向负载供电，又向电网馈电的有源逆变系统。

按照系统功能的不同，光伏并网发电系统可分为两类：一种是带有蓄电池的可调度式光伏并网发电系统；一种是不带蓄电池的不可调度式光伏并网发电系统。

典型的不可调度式光伏并网发电系统如图1-1所示。

图1-1 不可调度式光伏并网发电系统从图1-1中可知，整个并网发电系统由光伏组件、光伏并网逆变器、连接组件、计量装置等组成，对于可调度式光伏并网发电系统还包括储能用的蓄电池组。

太阳能光伏系统的并网逆变器设计与控制研究近年来，随着环境保护意识的增强和可再生能源的发展，太阳能光伏系统作为一种清洁、可持续的能源供应方式得到了广泛的推广和应用。

而在光伏系统中，逆变器的设计与控制是其中关键的一环。

在太阳能光伏系统中，光伏电池将太阳辐射转化为直流电能，而光伏逆变器则负责将直流电转化为交流电，以满足家庭或工业用电的需求。

逆变器具有将直流电转为交流电的功能，同时还能实现电网注入和电网同步等功能。

在太阳能光伏系统中，逆变器的设计与控制是非常重要的，它直接关系到光伏系统的效率、功率因素和电网安全等方面。

首先，逆变器的设计要考虑到太阳能光伏系统的工作环境和特性。

由于光伏电池发电受到太阳辐射的影响，因此逆变器的设计要充分考虑到太阳能的辐射强度和角度等因素，以获得尽可能高的发电效率。

其次，逆变器的设计还要考虑到系统的安全性和可靠性。

在光伏系统中，逆变器需要将直流电转化为交流电并注入电网，因此逆变器的设计要符合国家相关标准和规定，确保系统的安全运行。

同时，逆变器还要具备过压、欠压和过流等保护功能，以保护系统的设备和电网的安全。

与逆变器的设计相比，逆变器的控制则更为复杂。

逆变器的控制主要包括功率控制、电流控制和频率控制等方面。

功率控制是指逆变器在不同负载条件下能够输出相应的功率，并实现最大功率点追踪，以提高系统的发电效率。

电流控制是指逆变器能够根据电网的需求实时调整输出电流，以满足电网的要求。

而频率控制则是指逆变器能够实现与电网同步运行，确保输出电流的频率与电网相匹配。

为了实现逆变器的控制，常常采用数字信号处理器（DSP）和微控制器（MCU）等集成电路设备，通过对光伏系统的监测和控制，实现对逆变器的精确控制。

同时，还可以利用复杂传感器和智能算法等技术手段，提高逆变器的控制精度和稳定性。

总之，太阳能光伏系统的并网逆变器设计与控制是太阳能光伏系统中至关重要的一环。

在逆变器的设计方面，要考虑到光伏电池的工作环境和特性，实现高效率的发电。

光伏并网逆变器控制策略与研究摘要】：能源危机和环境问题是世界各国普遍关注的话题，开发和利用可再生能源在各国能源战略中的地位越来越高。

随着科学技术的发展，光伏发电已经成为一种解决未来能源短缺及环境污染的主要方式。

本文介绍了光伏并网逆变器的拓扑结构，分析了逆变器的控制策略及电流控制技术。

【关键词】：光伏并网逆变器，控制策略，电流控制引言鉴于光伏发电具有间歇性和波动性的特点，随着光伏发电的应用愈来愈广泛、光伏发电并网规模愈来愈大，对电网的稳定运行也带来了愈来愈多的挑战。

并网逆变器是光伏阵列与电网进行电能交互的关键部分，负责将光伏板输出的直流电逆变为符合相关并网要求的交流电并入电网，与电力系统实现安全高效、稳定灵活的互联。

本文基于二极管钳位型三电平光伏逆变器，分析了光伏并网逆变器的控制策略及电流控制技术。

1、光伏并网逆变器的拓扑结构逆变器是光伏并网发电系统的核心部分，决定着整个并网系统的工作性能。

根据光伏阵列输出功率的转换级数可将光伏并网逆变器分为单级式及两级式。

单级式光伏并网逆变器是指将光伏阵列的输出直接通过光伏并网逆变器完成功率直一交的转换，并且由并网逆变器本身实现光伏阵列的最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking， MPPT），但单级式对光伏阵列输出电压大小要求较高。

并网逆变器只有满足一定的启动电压才能正常工作，一般通过多块太阳能电池板串联以满足光伏并网逆变器启动工作的直流母线电压要求。

两级式是在光伏逆变器前增加了一个DC/DC升压环节，用于解决单级式光伏阵列输出电压大小不满足并网逆变器直流母线电压幅值要求的问题。

且一般是采用Boost升压电路，其最关键的是可以在完成升压的同时通过阻抗匹配的原理实现MPPT功能。

光伏并网主要由光伏阵列、Boost升压模块、三电平光伏并网逆变器、系统控制器、锁相环和滤波环节组成。

系统工作原理：太阳能经过光伏阵列转换为直流电压，Boost升压模块将直流电压调节到逆变器直流母线电压幅值要求，从而使逆变器输出的电流满足与电网电压同频同相的要求，即将有功电流注入电网。

光伏发电并网逆变器设计及其控制实现光伏发电并网逆变器是一种将光伏电池组发出的直流电能转换为交流电能并与电网连接的装置。

它在光伏发电系统中起着重要的作用，能够将光伏电池组产生的直流电能转化为交流电能供电网使用，从而实现将太阳能转化为电能的目的。

本文将对光伏发电并网逆变器的设计原理及其控制实现进行详细介绍。

光伏发电并网逆变器的设计原理是将光伏电池组发出的直流电能经过逆变器的转换，变为符合电网要求的交流电能。

其主要功能包括功率调节、电网电压频率跟踪以及电网短路保护等。

在设计过程中，需要考虑逆变器的效率、可靠性以及控制精度等因素。

光伏发电并网逆变器的组成主要包括直流侧和交流侧两个部分。

直流侧主要由光伏电池组、直流输入滤波电路和直流侧逆变器构成。

交流侧主要由交流输出滤波电路、逆变桥和输出变压器构成。

在设计中，需要对每个部分进行设计和参数选择，以保证逆变器的正常运行。

光伏发电并网逆变器的控制实现主要包括两个方面：MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)控制和电网逆变控制。

MPPT控制是为了保证光伏电池组能够始终工作在最大功率点上，通过调整光伏电池组的工作电压和电流，以获得最大功率输出。

电网逆变控制是为了保证逆变器能够将直流电能转换为符合电网要求的交流电能，包括电压和频率的跟踪控制。

在MPPT控制方面，一般采用模拟控制和数字控制相结合的方式。

模拟控制主要通过比较光伏电池组输出电压和电流与最大功率点的关系，通过调整控制信号来实现。

数字控制是采用数字信号处理器（DSP）等处理器实现的，能够实时采集光伏电池组的输出电压和电流，并进行计算和调整。

在电网逆变控制方面，主要包括电网电压跟踪和频率控制两个方面。

电网电压跟踪是通过测量电网电压和逆变器输出电压的差值，并通过调整逆变器的控制信号来实现电网电压的稳定。

频率控制是通过测量电网频率和逆变器输出频率的差值，并通过调整逆变器的控制信号来实现电网频率的跟踪。

光伏并网逆变器控制的设计
1 引言
21世纪，人类将面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战。

在有限资源和保护环境的双重制约下能源问题将更加突出，这主要体现在：①能源短缺；②环境污染；③温室效应。

因此，人类在解决能源问题，实现可持续发展时，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。

太阳能具有储量大、普遍存在、利用经济、清洁环保等优点，因此太阳能的利用越来越受到人们的广泛重视，成为理想的替代能源。

文中阐述的功率为200W太阳能光伏并网逆变器，将太阳能电池板产生的直流电直接转换为220V/50Hz的工频正弦交流电输出至电网。

2 系统工作原理及其控制方案
2.1 光伏并网逆变器电路原理
太阳能光伏并网逆变器的主电路原理图如图1所示。

在本系统中，太阳能电池板输出的额定电压为62V的直流电，通过DC/DC变换器被转换为400V直流电，接着经过DC/AC逆变后就得到220V/50Hz的交流电。

系统保证并网逆变器输出的220V/50Hz正弦电流与电网的相电压同步。

图1 电路原理框图
2.2 系统控制方案
图2为光伏并网逆变器的主电路拓扑图，此系统由前级的DC/DC变换器和后级的DC/AC 逆变器组成。

DC/DC变换器的逆变电路可选择的型式有半桥式、全桥式、推挽式。

考虑到输入电压较低，如采用半桥式则开关管电流变大，而采用全桥式则控制复杂、开关管功耗增大，因此这里采用推挽式电路。

DC/DC变换器由推挽逆变电路、高频变压器、整流电路和滤波电感构成，它将太阳能电池板输出的62V的直流电压转换成400V的直流电压。

图2 主电路拓扑图。

光伏并网逆变器控制策略的研究1. 引言1.1 研究背景由于光伏发电系统的不稳定性和间歇性，逆变器的控制策略对系统整体性能具有至关重要的影响。

目前，虽然已经有一些传统的控制策略应用于光伏并网逆变器，但仍然存在诸多问题和局限性，如功率波动大、电压失调等。

对光伏并网逆变器控制策略的研究具有重要意义，可以提高系统的运行稳定性和效率，同时也有助于推动清洁能源的发展和应用。

本研究旨在通过对光伏并网逆变器控制策略进行深入探讨和优化设计，以实现系统的高效运行和提高发电效率。

结合实验验证和结果分析，为未来光伏并网逆变器的研究和应用提供参考和指导。

1.2 研究意义光伏并网逆变器是光伏发电系统中的核心设备，其控制策略的优劣直接影响着光伏发电系统的发电效率和运行稳定性。

研究光伏并网逆变器控制策略的意义非常重大。

合理的控制策略可以提高光伏发电系统的发电效率，最大限度地利用光伏板转换太阳能的能力。

通过优化逆变器控制策略，可以降低系统的损耗，提高系统的转换效率，从而提高光伏发电系统的整体发电量。

良好的控制策略可以提高光伏发电系统的稳定性和可靠性。

通过合理的控制策略设计，可以有效地降低系统在运行过程中出现的故障概率，保证系统的长期稳定运行，延长设备的使用寿命，降低系统维护成本。

研究光伏并网逆变器控制策略不仅有利于提高光伏发电系统的发电效率和运行稳定性，还对推动光伏发电技术的发展和应用具有重要的意义。

通过不断深入研究和优化控制策略，可以进一步完善光伏发电系统的性能，促进清洁能源的广泛应用。

1.3 研究现状光伏并网逆变器控制策略的研究现状在不断发展和完善。

目前，随着光伏发电系统规模的不断扩大和技术的不断进步，光伏并网逆变器控制策略也日趋多样化和复杂化。

传统的PI控制、PID控制等控制策略已经在实际应用中得到了广泛的应用，但在一些特定条件下存在着性能不佳，动态响应速度慢等问题。

研究人员开始着眼于改进和优化控制策略，以提高光伏并网逆变器的性能和效率。

太阳能光伏并网逆变器的设计原理框图————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：太阳能光伏并网逆变器的设计原理框图随着生态环境的日益恶化，人们逐渐认识到必须走可持续发展的道路，太阳能必须完成从补充能源向替代能源的过渡。

光伏并网是太阳能利用的发展趋势，光伏发电系统将主要用于调峰电站和屋顶光伏系统。

在光伏并网系统中,并网逆变器是核心部分.目前并网型系统的研究主要集中于DC—DC和DC-AC两级能量变换的结构。

DC—DC 变换环节调整光伏阵列的工作点使其跟踪最大功率点；DC—AC逆变环节主要使输出电流与电网电压同相位，同时获得单位功率因数。

其中DC—AC是系统的关键设计.太阳能光伏并网系统结构图如图1所示.本系统采用两级式设计，前级为升压斩波器，后级为全桥式逆变器.前级用于最大功率追踪，后级实现对并网电流的控制。

控制都是由DSP芯片TMS320F2812协调完成。

图1 光伏并网系统结构图逆变器的设计太阳能并网逆变器是并网发电系统的核心部分，其主要功能是将太阳能电池板发出的直流电逆变成单相交流电,并送入电网。

同时实现对中间电压的稳定，便于前级升压斩波器对最大功率点的跟踪。

并且具有完善的并网保护功能，保证系统能够安全可靠地运行。

图2是并网逆变器的原理图。

图2 逆变器原理框图控制系统以TI公司的TMS320F2812为核心，可以实现反馈信号的处理和A/D转换、DC/DC变换器和PWM逆变器控制脉冲的产生、系统运行状态的监视和控制、故障保护和存储、485通讯等功能。

实际电路中的中间电压VDC、网压、并网电流和太阳能电池的电压电流信号采样后送至F2812控制板。

控制板主要包括：CPU及其外围电路，信号检测及调理电路，驱动电路及保护电路.其中信号检测及调理单元主要完成强弱电隔离、电平转换和信号放大及滤波等功能，以满足DSP控制系统对各路信号电平范围和信号质量的要求。

并网逆变器控制策略在光伏发电系统中，逆变器是将直流电转换为交流电的核心设备，起着关键的作用。

并网逆变器作为一种常见的类型，具备将太阳能光伏发电系统产生的直流电能转换为交流电，并将其注入电网的功能。

而并网逆变器的控制策略，则决定了光伏发电系统的工作效率和稳定性。

本文将讨论并网逆变器控制策略的相关问题。

一、传统的在传统的并网逆变器控制策略中，主要采用的是电压源逆变器控制方法。

这种方法通过控制输出电压的幅值和频率，使得逆变器的输出电压与电网电压保持同步，实现无间断地将太阳能发电系统的电能注入电网。

这种控制策略结构简单，控制稳定性较高，但在面对复杂的电网情况时可能存在一些问题。

在电网故障或不稳定的情况下，传统的控制策略可能无法实时调整逆变器的输出电压和频率，导致逆变器无法正常工作。

二、改进的为了提高并网逆变器的工作效率和稳定性，研究者们提出了一系列的改进控制策略。

其中较为常见和有效的策略包括以下几种：1. 频率和电压双闭环控制策略：将传统的电压源逆变器控制策略与频率闭环控制策略相结合，通过控制输出电压和频率的误差信号，调整逆变器的工作参数。

这种策略能够使逆变器在面对电网电压波动和故障时，能够更加灵活地调整输出电压和频率，维持系统稳定运行。

2. 预测控制策略：通过预测电网的电压和频率变化趋势，进行先行控制，使逆变器能够提前调整输出电压和频率，以适应电网变化。

这种策略能够有效降低电网波动对逆变器性能的影响，提高逆变器的稳定性和响应速度。

3. 智能控制策略：利用人工智能和模糊控制等技术，根据电网状态和逆变器工作参数的实时反馈信息，智能地调整逆变器的控制策略。

这种策略能够根据不同的电网情况和工作条件，实时选择最优的控制方式，提高逆变器的工作效率和适应性。

三、并网逆变器控制策略的发展趋势随着太阳能光伏发电技术的不断发展和应用，对并网逆变器的要求越来越高。

未来并网逆变器控制策略的发展趋势主要体现在以下几个方面：1. 多元化控制策略的融合：将传统的控制策略与改进的控制策略相结合，形成更加多元化和灵活的控制方案。

分布式并网光伏发电应用研究导读：本辑归纳了分布式并网光伏发电应用前景，并网光伏发电电能质量测试与分析，并网型光伏发电系统控制策略研究，分布式并网光伏发电应用前景，光伏发电系统中蓄电池充电控制研究。

中国学术期刊文辑（2013）目录一、理论篇多功能光伏发电系统仿真设计 1分布式并网光伏发电应用前景 6分布式光伏发电现状及走势 8分布式光伏发电现状及走势孙李平 10分布式光伏发电陷迷途奥克股份阳光电源堪忧 12光伏并网发电若干关键技术分析与综述 14光伏发电并网标准发展陈志磊 21光伏发电并网对东莞电网的影响及对策研究 25光伏发电并网及电能计量问题探究 29光伏发电并网及其相关技术发展现状与展望 31光伏发电并网技术的应用 45光伏发电并网技术难点及破解办法 46二、发展篇光伏发电并网难考验激励机制 49光伏发电并网逆变器控制器控制系统的设计 51光伏发电并网系统的仿真建模及对配电网电压稳定性影响 53 光伏发电并网系统跟踪方法的改进 67太阳能光伏发电的设计应用陈秋宇 1 76太阳能光伏发电的设计应用陈秋宇 79太阳能光伏发电技术及其发展前景分析 82一种新型高效太阳能光伏发电系统的设计及优化分析 84以光伏发电为代表的微电网的经济运行评估 87以光伏发电为代表的微电网的经济运行评估杨海晶 90 应用于停车棚的光伏储能微网发电系统研究 93收稿日期：２０１２－１１－１５基金项目：国家自然科学基金（５１１０７０８８）；天津市资助选派优秀博士后国际化培养计划（２０１２年）通讯作者：肖朝霞（１９８１－），女，博士，副教授，主要从事分布式发电系统及其控制等方面的研究；Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉａｏｚｈａｏｘｉａ＠ｔｊｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ第２７卷第４期２０１２年１２月电力科学与技术学报ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＥＩＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．２７Ｎｏ．４Ｄｅｃ．２０１２　多功能光伏发电系统仿真设计肖朝霞，刘　东，赵倩宇（天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室，天津　３００３８７）摘　要：提供一种基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的多功能光伏（ＰＶ）发电系统仿真设计方法，既可用于系统运行分析和控制器设计，又可通过ｄＳｐａｃｅ将其用于实验室系统．并对系统运行模式进行分析，采用ｓｔａｔｅｆｌｏｗ进行运行模式控制；给出光伏逆变器和蓄电池充放电控制方法，以及它们在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中的实现方式。

基于PI控制的三相光伏并网逆变器电流控制器设计一、本文概述随着全球对可再生能源的需求不断增长，光伏技术作为清洁、可持续的能源形式之一，已在全球范围内得到广泛应用。

三相光伏并网逆变器作为光伏系统的核心设备，其性能直接影响到光伏系统的发电效率和电能质量。

电流控制器作为三相光伏并网逆变器的重要组成部分，对于实现光伏系统的高效、稳定运行具有关键作用。

因此，研究并设计高效的三相光伏并网逆变器电流控制器具有重要意义。

本文旨在探讨基于PI控制的三相光伏并网逆变器电流控制器的设计。

PI控制作为一种常用的线性控制方法，具有结构简单、稳定性好、调节速度快等优点，在电力电子领域得到了广泛应用。

本文将首先介绍三相光伏并网逆变器的基本原理和结构，然后详细阐述基于PI控制的电流控制器设计过程，包括控制策略的选择、控制器的参数设计以及稳定性分析等。

通过实验验证所设计的电流控制器的有效性，并对其性能进行评估。

通过本文的研究，旨在提供一种基于PI控制的三相光伏并网逆变器电流控制器的设计方法，为光伏系统的优化和升级提供理论支持和技术指导。

本文的研究成果也有助于推动光伏技术的进一步发展，为实现全球能源结构的绿色转型做出贡献。

二、光伏并网逆变器基本原理光伏并网逆变器是太阳能光伏发电系统中的关键设备，其作用是将光伏电池板产生的直流电能转换为交流电能，并与公共电网同步连接，实现电能的并网供电。

光伏并网逆变器的基本原理可以分为以下几个步骤。

光伏电池板的工作原理：光伏电池板利用光电效应，将太阳光能直接转换为直流电能。

当太阳光照射到光伏电池板表面时，光子与电池板中的半导体材料相互作用，导致电子从原子中逸出，形成光生电流。

直流-直流（DC-DC）变换器：由于光伏电池板输出的直流电压随着光照条件和温度的变化而变化，因此需要通过DC-DC变换器将其转换为稳定的直流电压。

常见的DC-DC变换器有升压型（Boost）、降压型（Buck）和升降压型（Buck-Boost）等。

半导体器件应用网/news/201535.html 光伏并网逆变器的设计【大比特导读】基于光伏并网逆变器的基本原理和控制策略，设计了并网型逆变器的结构，其采用了内置高频变压器的前后两级结构，即前级DC/DC高频升压，后级DC/AC工频逆变。

该设计模式具有电路简单、性能稳定、转换效率高等优点。

基于光伏并网逆变器的基本原理和控制策略，设计了并网型逆变器的结构，其采用了内置高频变压器的前后两级结构，即前级DC/DC高频升压，后级DC/AC工频逆变。

该设计模式具有电路简单、性能稳定、转换效率高等优点。

在能源日益紧张的今天，光伏发电技术越来越受到重视。

太阳能电池和风力发电机产生的直流电需要经过逆变器逆变并达到规定要求才能并网，因此逆变器的设计关乎到光伏系统是否合理、高效、经济的运行。

1光伏逆变器的原理结构光伏并网逆变器的结构如图1所示，主要由前级DC/DC变换器和后级DC/AC逆变器构成。

其基本原理是通过高频变换技术将低压直流电变成高压直流电，然后通过工频逆变电路得到220V交流电。

这种结构具有电路简单、逆变电源空载损耗很小、输出功率大、逆变效率高、稳定性好、失真度小等优点。

图1光伏逆变器结构图逆变器主电路如图2所示。

DC/DC模块的控制使用SG3525芯片。

SG3525是双端输出式SPWM脉宽调制芯片，产生占空比可变的PWM波形用于驱动晶闸管的门极来控制晶闸管通断，从而达到控制输出波形的目的。

作为并网逆变器的关键模块，DC/AC模块具有更高的控制要求，本设计采用TI公司的TMS320F240作为主控芯片，用于采集电网同步信号、交流输入电压信号、调节IGBT门极驱动电路脉冲频率，通过基于DSP芯片的软件锁相环控制技术，完成对并网电流的频率、相位控制，使输出电压满足与电网电压的同频、同相关系。

滤波采用二阶带通滤波器，是有源滤波器的一种，用于传输有用频段的信号，抑制或衰减无用频段的信号。

其可以有效地滤除逆变后产生的高频干扰波形，使逆变后的电压波形达到并网的要求。

基于FPGA 的光伏并网逆变器的设计夏向阳，唐卫波（长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙，410077）摘 要:光伏并网发电系统是光伏发电的发展趋势，文章介绍了光伏并网逆变器的基本原理，设计了一套单相新型的光伏并网逆变器，逆变器控制部分由FPGA 实现最大功率跟踪和输出电流跟踪控制，实现了逆变输出电流与电网同步，且高功率因数运行。

实验结果表明，采用FPGA 实现并网发电系统中逆变控制的可行性和优越性。

关键字：光伏发电；并网逆变器；FPGA0 引言随着经济和社会的发展,能源消耗越来越大,环境污染和电力需求的迅速增长使得人们越来越重视可再生能源的发展。

光伏发电具有不需燃料、环境友好、无转动部件、维护简单、功率可大可小等突出优点，其应用范围十分广阔，遍及各行各业并受到普遍欢迎[1]。

并网逆变器作为光伏并网发电系统的关键设备之一，其性能对提高光伏发电效率，降低成本具有重要的意义。

本文基于FPGA 的集成度高、编程方便、速度快、控制精度高、开发费用低等优点,应用FPGA 实现光伏并网逆变器的控制。

1 光伏并网逆变系统组成光伏并网逆变系统如图1所示，该光伏发电并网系统主要由光伏阵列、DC/DC 转换器、DC/AC 工频逆变器、隔离变压器、控制系统等组成。

其中，功率主电路采用DC/DC ，DC/AC 两级结构。

DC/DC 变换环节调整光伏阵列的工作点，使其跟踪最大功率点；DC/AC 逆变环节主要使输出的正弦电流与电网电压同频同相，使之能够达到并网运行的要求。

他们的控制都是由FPGA芯片协调完成。

图1 并网逆变系统结构2并网逆变器控制电路设计采用Altera 公司的新一代低成本FPGA(EP2C8Q208C8N)作为控制芯片，利用QUARTUS Ⅱ5.0开发工具，应用了模块化的设计思想，结合语言编程与原理图输入的方式将所有的数字电路集中在FPGA 中，实现的功能模块修改方便，不影响其他模块，且可重复使用。

无变压器结构光伏并网逆变器拓扑及控制研究一、本文概述随着全球对可再生能源需求的持续增长，光伏发电技术因其清洁、可再生、无污染的特性，受到了广泛关注。

光伏并网逆变器作为光伏发电系统的核心设备，其性能直接影响到整个系统的运行效率和电能质量。

传统的光伏并网逆变器通常采用变压器结构，虽然这种结构在一定程度上能够实现电气隔离和电压匹配，但也存在体积大、成本高、效率低等问题。

因此，研究无变压器结构的光伏并网逆变器拓扑及其控制策略，对于提高光伏系统的整体性能、降低成本、推动光伏发电技术的广泛应用具有重要意义。

本文首先介绍了光伏发电系统的基本原理和并网逆变器的功能要求，阐述了无变压器结构光伏并网逆变器的研究背景和必要性。

随后，文章详细介绍了无变压器结构光伏并网逆变器的拓扑结构，包括其基本原理、电路构成以及与传统变压器结构逆变器的区别。

在此基础上，文章重点研究了无变压器结构光伏并网逆变器的控制策略，包括最大功率点跟踪控制、并网电流控制、孤岛效应检测与保护等方面。

通过理论分析和仿真实验，验证了所提控制策略的有效性和优越性。

文章对无变压器结构光伏并网逆变器的应用前景进行了展望，并指出了进一步研究的方向和可能的挑战。

本文的研究成果将为光伏发电技术的发展提供新的思路和方法，有助于推动可再生能源技术的快速发展和应用。

二、无变压器结构光伏并网逆变器拓扑随着可再生能源的日益普及，光伏（PV）技术已成为一种重要的清洁能源解决方案。

光伏并网逆变器是光伏系统的核心组成部分，其设计对于提高系统的效率和可靠性至关重要。

传统的光伏并网逆变器通常采用变压器结构，但近年来，无变压器结构的光伏并网逆变器因其高效率、低成本和紧凑的设计而受到了广泛关注。

无变压器结构光伏并网逆变器拓扑主要基于直接功率转换技术，省去了传统的工频变压器，从而降低了系统的体积和重量。

这种拓扑结构的关键在于使用高效的电力电子开关器件和先进的控制策略，实现直流（DC）到交流（AC）的直接转换。