单相光伏并网发电系统控制方法的研究

第46卷第2期2012年2月Vol.46，No.2February2012电力电子技术Power Electronics图1系统主电路拓扑结构1引言目前，光伏电池组件和光伏并网控制器的效率是影响小型光伏发电系统效率的主要因素，而光伏电池组件效率由生产工艺决定，因此，提高系统效率的关键在于并网控制器的并网逆变控制技术和MPPT技术。

小型光伏发电系统的并网应用大多采用单相并网方式，其并网逆变器的控制有4种方式[1]。

电压源输入电流控制方式应用较为广泛[2]。

实现对并网电流的控制，单环PID算法较为成熟有效，能使逆变器输出快速跟随参考信号变化的正弦电流[3]。

随着研究的不断深入，该方法已发展出直接电流控制、间接电流控制和混合控制等策略[4]。

然而，单环PID算法仅能控制并网电流。

因此，在此拟采用双环PI控制，内环控制并网电流，外环稳定直流母线电压，给出并网参考电流的幅值，并结合变步长扰动观测法，实现单相光伏发电系统的MPPT控制和逆变并网。

2系统结构和工作原理2.1系统结构控制算法需要由两级结构构成的拓扑，前级实现MPPT算法功能，后级实现并网逆变功能，图1为系统主电路拓扑结构。

该结构主要包括太阳能电池板、Boost电路、全桥逆变电路、单电感滤波电路和隔离变压器，其特点是可以让前级和后级的控制相互独立，提高系统的稳定性，降低控制难度。

单相光伏并网发电系统控制方法的研究杨苹，曾晓生（华南理工大学，广东省绿色能源技术重点实验室，广东广州510640）摘要：提出一种单相并网逆变控制算法，在传统单环PI控制的基础上加入电压环，提高了直流母线电压的稳定性，使系统更加可靠。

在此基础上，提出基于变步长扰动观测的光伏电池最大功率点跟踪（MPPT）策略，实现单相光伏并网发电系统最大输出功率点的快速、稳定跟踪。

仿真和样机实验结果证明了所提方案的有效性。

关键词：光伏发电；单相并网逆变器；电流控制中图分类号：TM615文献标识码：A文章编号：1000-100X（2012）02-0048-04Research on Control Arithmetic of the Single-phaseGrid-connected Photovoltaic SystemYANG Ping，ZENG Xiao-sheng（South China University of Technology，Guangdong Key Laboratory of Clean Energy Technology，Guangzhou510640，China）Abstract：A kind of control arithmetic of the single-phase grid-connected inverter is proposed.A voltage loop is added to the traditional single loop PI control system for the stability of the bus bar voltage.On this basis，a maximum power point tracking（MPPT）strategy，the perturb and observe method based on variable-step is proposed to improve speediness and stabi-lization of the tracking.The proposed control strategy is verified by simulation and prototype experiments.Keywords：photovoltaic power generation；single-phase grid-connected inverter；current controlFoundation Project：Supported by the Guangdong Science and Technology Program（No.2010A010200004）；The Pro-duce Study Research Combination Project of Guangdong Province and Ministry of Education（No.2009B090300424）；Guangdong HongKong Technology Cooperation Funding Scheme of2010（No.20100107-3）基金项目：广东省科技计划项目（2010A010200004）；广东省教育部产学研结合项目（2009B090300424）；2010年粤港关键领域重点突破招标项目（20100107-3）定稿日期：2011-09-29作者简介：杨苹（1967-），女，广西人，教授，研究方向为电力电子系统分析与控制。

482.2系统的工作原理由图1可知，MPPT 策略的选择和步长的计算是Boost 电路控制技术的关键。

通过检测太阳能板的输出电压和电流，使太阳能板输出最大功率。

全桥逆变电路将Boost 电路输出的直流电转换成交流电，其控制目标是使直流母线电压稳定，且输出高质量的并网电流。

并网电流波形和幅值的控制是决定该系统性能的关键。

前者要求并网电流很好地跟踪参考正弦波，不受电网电压干扰且与电网电压同频同相；后者要求通过MPPT 控制使并网电流幅值最大。

3并网电流波形的控制3.1直流母线电压和并网电流的双环PI 控制一般单相并网逆变算法是单环PI 控制。

该方法在直流母线电压U dc 稳定时可实现并网电流控制的目标，当U dc 不稳定，尤其是因前级电路用于MPPT 控制而无法稳定U dc 时，存在很大局限性。

所以这里增加了一个控制环，以稳定U dc 。

图2为直流母线电压和并网电流的双环PI 控制原理图。

PI 控制器可使被控量快速地跟随参考量，改善系统的稳态性能。

用PI 控制器对直流母线电压的实际值U dc 与其参考值U dc *的偏差进行控制，可使U dc 跟随且趋向U dc *，控制器的输出是并网参考电流的幅值。

同理，可使系统输出电流i o 不断地跟随参考电流i o *的变化而变化。

当太阳能板输出的功率等于并网功率与系统损耗功率之和时，i o *的幅值是一个使系统功率平衡的定值。

此时，若光照增强，则在MPPT 控制器的作用下，太阳能板的输出功率变大，U dc 升高。

故U dc 与U dc *作差后产生正偏差，在外环PI 控制器的控制下，使i o *的幅值增大。

而在内环PI 控制器的作用下，i o 很快地跟随i o *，使送入电网的功率也随即增大。

反之亦然。

使用DSP 实现PI 控制功能，需将控制器离散化。

描述PI 控制器输出信号u （t ）与输入信号e （t ）关系的方程为：u （t ）=K p e （t ）+1T it 0乙e （t ）d 乙乙t （1）式中：K p 为控制器的比例系数；T i 为积分时间常数。

用求和代替积分，根据矩形法进行数值积分，可得第k 次采样时刻PI 控制器的差分方程为：u （k ）=u （k -1）+Δu （k ）=u （k -1）+K p [e （k ）-e （k -1）]+K i e （k ）（2）式中：K i =K p （T s /T i ），T s 为控制器的采样周期。

数字PID 有位置式和增量式2种算法，前者计算时要对误差进行累加，运算量大，可能使变量溢出，所以这里采用后者。

图3示出增量式PI 算法流程图。

3.2电网电压前馈控制采用双环PI 算法，可使并网电流稳定、快速地跟踪正弦参考电流，为消除电网电压的影响，还需加入电网电压前馈环节。

从控制理论上看，电网电压可看作逆变系统的干扰源，如图4所示。

由图4可得：i o *（s ）-i o （s 乙乙）G 1（s ）G 2（s ）-u g （s 乙乙）G 3（s ）=i o （s ）（3）对式（3）进行整理可得：i o （s ）[1+G 1（s ）G 2（s ）G 3（s ）]=i o *（s ）G 1（s ）G 2（s ）G 3（s ）-u g （s ）G 3（s ）（4）由式（4）可见，逆变器输出电流受电网电压干扰量u g （s ）G 3（s ）的影响。

实验证明，在相同内环PI参数下，若不引入电网电压前馈，这一干扰量会使并网电流产生畸变；而若仅用PI 调节，则很难找到一组PI 参数满足并网电流要求。

因此在并网电流闭环控制系统中加入电网电压前馈环节，用以抵消电网电压对并网电流的影响。

图5为加电网电压前馈控制的闭环控制系统框图。

其中G 4（s ）为直流母线电压的倒数。

图2直流母线电压和并网电流的双环PI 控制原理图第46卷第2期2012年2月Vol.46，No.2February 2012电力电子技术Power Electronics图9并网逆变仿真及实验波形由图5可得：i o （s ）1+G 1（s ）G 2（s ）G 3（s !"）=i o *（s ）G 1（s ）G 2（s ）G 3（s ）+u g （s ）G 2（s ）G 3（s ）G 4（s ）-G 3（s !"）（5）如果取G 4（s ）=1/G 2（s ），则可使u g （s ）[G 2（s ）·G 3（s ）G 4（s ）-G 3（s ）]=0，即消除u g （s ）对i o （s ）的影响。

引入这一前馈，可使反馈控制增益小一些，有利于系统的稳定性。

3.3软件锁相锁频高质量的并网电流不但要很好地跟踪正弦参考电流、不受电网电压影响，而且为提高功率因数，还需使并网电流与电网电压同相同频。

这里采用TMS320LF2407A 作为控制芯片。

将电网电压信号整形为同步方波，当DSP 捕获到该方波的上升沿时，即把正弦参考电流归为零度，实现锁相功能。

这里设置计数器T 2为捕获单元CAP 3提供时基，0.625MHz （64分频），记2次捕获事件读到的T 2计数值之差为T 2cnt ，则：64#$T 2cnt =1f（6）式中：f 为电网电压频率。

设置T 3时基为40MHz ，工作在连续增/减计数模式，通过周期中断查表的方式产生参考电流正弦波。

若正弦波由N 个点组成，则有：2T 3PERN40×106#$=1f（7）式中：T 3PER 为T 2的周期值。

由式（6）和式（7）可得：T 3PER =32T 2cnt /N 。

N 为定值，所以T 3PER 和T 2cnt 是正比例关系，可用捕获到的T 2cnt 值实时地改变T 3PER 值，从而使正弦参考波的频率与电网电压保持相同。