陳 誠，王 勛，程宏波

（華東交通大學(xué)電氣與電子學(xué)院，江西南昌330013）

光伏發(fā)電技術(shù)迅速發(fā)展，其中并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)更受到關(guān)注[1-5]。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)普遍采用兩級式結(jié)構(gòu)，從而可以分級控制[6]，光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)換為不穩(wěn)定的電能后[7-9]，經(jīng)直流變直流（DC/DC）得到較穩(wěn)定的直流電，再逆變?yōu)榻涣麟娗也⒕W(wǎng)向負(fù)載供電。在實(shí)際應(yīng)用中，往往存在光照強(qiáng)度很強(qiáng)時(shí)，直流側(cè)輸出功率大于逆變側(cè)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定的并網(wǎng)最大功率[10]，由于逆變電路功率被限制在設(shè)計(jì)功率上，此時(shí)若直流側(cè)繼續(xù)做最大功率跟蹤，這必然導(dǎo)致直流母線上的電壓升高，直至電容或者開關(guān)器件損壞，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，這樣不僅造成經(jīng)濟(jì)的損失，還嚴(yán)重影響人生安全[11]。

針對上述現(xiàn)象，文獻(xiàn)[12]通過設(shè)計(jì)變步長的最大功率跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制算法來控制母線電壓，但是并未考慮逆變側(cè)的設(shè)計(jì)功率不容許逆變側(cè)輸出功率過大。文獻(xiàn)[13]提出增大直流母線電容，但這造成控制系統(tǒng)響應(yīng)慢，且系統(tǒng)體積大，降低了系統(tǒng)的功率密度，成本昂貴，效果不佳。文獻(xiàn)[14]始終控制直流側(cè)輸出功率等于逆變側(cè)的輸入功率，來限制母線電壓波動(dòng)，但控制復(fù)雜，且這樣增加了逆變器件選型的要求，實(shí)現(xiàn)難度大。為了提高系統(tǒng)的功率密度和光伏電池能量的利用率，本文提出一種新型的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制方案，詳細(xì)分析了它的控制設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及新控制策略

系統(tǒng)采用現(xiàn)今商業(yè)上使用最多的也是最常見的前級Boost升壓、后級全橋逆變結(jié)構(gòu)[15-16]，選取型號(hào)為SW-10S的光伏電池串并聯(lián)為光伏陣列[17]。MPPT控制采用擾動(dòng)觀察法，它實(shí)現(xiàn)簡單，并且能夠?qū)崟r(shí)控制[18-19]。Boost升壓電路和全橋逆變電路均采用了平均電流控制方法[20-21]。

本文在直流側(cè)設(shè)計(jì)了一種三環(huán)控制，即基于Boost電路原本的電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，再加入一級Boost輸出電壓的PI環(huán)，以控制電壓外環(huán)輸出。在輸入電壓外環(huán)正常工作時(shí)，Boost輸入功率小于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大功率，直流母線電壓被逆變電路的電壓外環(huán)穩(wěn)定，直流母線電壓保護(hù)環(huán)由于基準(zhǔn)一直不等于反饋，導(dǎo)致飽和輸出在限幅狀態(tài)，在控制分析中可以不考慮，此時(shí)只有電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)來控制；當(dāng)光照強(qiáng)度增強(qiáng)致使光伏組件最大輸出功率大于設(shè)計(jì)的最大功率，逆變側(cè)電壓環(huán)飽和，逆變功率由于電流基準(zhǔn)限幅而被限制，多出的功率加在電容上，電容電壓升高，當(dāng)大于設(shè)定的保護(hù)電壓時(shí)，直流母線電壓保護(hù)環(huán)開始作用，Boost電壓外環(huán)飽和輸出在限幅狀態(tài)，輸入的Boost電流基準(zhǔn)只由直流保護(hù)環(huán)的輸出決定，這樣就保證了輸出不超過最大功率，直流母線電壓不超過設(shè)定值。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于設(shè)計(jì)需要，列出標(biāo)態(tài)下（溫度25℃，光照1 000 W·m-2），系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置Tab.1 System parameters

整個(gè)控制系統(tǒng)分為Boost三環(huán)控制和逆變電路雙環(huán)控制，本文先重點(diǎn)分析Boost三環(huán)控制設(shè)計(jì)，再簡要說明逆變電路控制設(shè)計(jì)。

圖1 Boost三環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure chart of Boost three-loop control

2.1 前饋設(shè)計(jì)

加入前饋環(huán)節(jié)屬于一種復(fù)合控制方案，從抑制擾動(dòng)的角度看，前饋控制可以很大地減輕反饋控制的負(fù)擔(dān)，易于系統(tǒng)的穩(wěn)定。當(dāng)控制環(huán)節(jié)采用典型一階系統(tǒng)時(shí)，雖然使系統(tǒng)具有很好的跟隨性，但系統(tǒng)受干擾時(shí)，需要很長的時(shí)間才能使系統(tǒng)穩(wěn)定；如采用典型二階系統(tǒng)，雖能增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能，但降低了其跟隨性能。因此考慮在典型一階系統(tǒng)中加入前饋設(shè)計(jì)，就可以保證系統(tǒng)的跟隨性和抗干擾性能。

本文采用了靜態(tài)前饋補(bǔ)償?shù)姆绞絹砗喕到y(tǒng)的控制設(shè)計(jì)，設(shè)電壓前饋系數(shù)，剛好可以抑制電壓的擾動(dòng)。從補(bǔ)償?shù)脑韥砜?，前饋補(bǔ)償不會(huì)改變反饋控制的系統(tǒng)的特性，所以在分析電流環(huán)和電壓環(huán)時(shí)，可以不考慮前饋的影響[23-24]。

2.2 Boost電流內(nèi)環(huán)的控制設(shè)計(jì)

由圖2可以寫出Boost電流內(nèi)環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)Goi(s)：

根據(jù)Boost電路小信號(hào)模型，考慮到MPPT相對電壓環(huán)很慢，得到電感電流iL與占空比d之間的傳遞函數(shù)Gid(s )[20-22]：

為了提高電流環(huán)的低頻增益和高頻抑制，加快電流內(nèi)環(huán)跟蹤速度和減小穩(wěn)態(tài)誤差，需增加補(bǔ)償環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)Gci(s)如下，其中Kip為電流環(huán)補(bǔ)償環(huán)節(jié)比例調(diào)節(jié)增益，τi為積分時(shí)間常數(shù)。

由于電流采樣要實(shí)時(shí)跟蹤電流，需采樣到開關(guān)量，所以電流采樣的截止頻率就定義在開關(guān)頻率，通過合并兩個(gè)小時(shí)間常數(shù)，得電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)Goi(s)：

考慮電流環(huán)的快速跟隨性能，采用典型一階系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，要求PI的零點(diǎn)和Gid(s)的極點(diǎn)相抵消且系統(tǒng)阻尼比為 0.707[23-25]，可得。將各參數(shù)結(jié)果帶入式（4），得到電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)Goi()s：

現(xiàn)代項(xiàng)目管理模式中贈(zèng)添了范圍管理和項(xiàng)目集中管理兩塊管理領(lǐng)域?，F(xiàn)代項(xiàng)目管理同時(shí)針對于項(xiàng)目管理的風(fēng)險(xiǎn)和不確定因素，傳統(tǒng)項(xiàng)目管理模式更多地對項(xiàng)目工期重視，各個(gè)項(xiàng)目沒有集成、范圍和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行專項(xiàng)管理。導(dǎo)致傳統(tǒng)項(xiàng)目在管理中各部門缺乏聯(lián)系對問題處理上沒有針對性，這也是傳統(tǒng)項(xiàng)目管理模式效用難以提高的關(guān)鍵原因?，F(xiàn)代項(xiàng)目管理相比于傳統(tǒng)項(xiàng)目管理新增了范圍項(xiàng)目、集成項(xiàng)目、風(fēng)險(xiǎn)控制的專項(xiàng)管理模式，可使項(xiàng)目管理效用有效提高，這也是現(xiàn)代項(xiàng)目管理模式成為當(dāng)前主流的最重要原因。

電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Gi(s)：

當(dāng)開關(guān)頻率很高時(shí)，可忽略掉二次項(xiàng)，則電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)Gi(s)可簡化：

若繪出電流內(nèi)環(huán)開環(huán)波特圖和閉環(huán)波特圖，可以看到兩個(gè)傳遞函數(shù)都有足夠的相位裕量和增益裕量，系統(tǒng)相對穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能較強(qiáng)。

2.3 Boost輸入電壓外環(huán)的控制設(shè)計(jì)

本文Boost電路控制存在兩個(gè)電壓環(huán)，即輸入的電壓外環(huán)和直流母線電壓保護(hù)環(huán)。雙電壓環(huán)所對應(yīng)的電壓基準(zhǔn)不一樣，在分析輸入電壓外環(huán)時(shí)，不考慮直流母線電壓保護(hù)環(huán)。

電壓外環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)Gov(s)：

為簡化分析，根據(jù)Boost電路小信號(hào)模型和光伏電池的模型，在考慮MPPT遠(yuǎn)慢于電壓環(huán)和忽略輸入電容的內(nèi)阻情況下，可以得到輸入電壓uin與電感電流iL之間的傳遞函數(shù)Gvi(s)，其中，Req為最大功率點(diǎn)時(shí)光伏電池等效內(nèi)阻。

與電流內(nèi)環(huán)一樣，加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)Gcv(s)來增加開環(huán)增益，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和濾除高次諧波，Gcv(s)表示如下，其中Kvp和τv分別為電壓環(huán)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)。

由于在對直流電壓采樣中，我們需要濾除由于交流電網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)功率帶來的直流母線的波動(dòng)，一般截止頻率設(shè)置在電網(wǎng)頻率的十分之一處。將各式帶入，并合并兩個(gè)小時(shí)間常數(shù)，得電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)Gov(s)：

實(shí)際光伏電池的阻抗是受光照、溫度和工作電流等因素影響，為簡化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，方便補(bǔ)償環(huán)節(jié)參數(shù)計(jì)算，設(shè)Req=0。綜合考慮電壓外環(huán)的抗干擾性能和跟隨性能，按典型Ⅱ型系統(tǒng)來設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器，工程上一般取中頻寬h為5，得到：

由典型Ⅱ型系統(tǒng)震蕩指標(biāo)法，以閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)則來給控制器參數(shù)整定[22-25]，有：

結(jié)合以上兩式和系統(tǒng)參數(shù)，可得補(bǔ)償環(huán)節(jié)參數(shù)τv=1，最后可得電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)Gov(s)：

可以從其波特圖看出傳遞函數(shù)滿足系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的要求。

2.4 Boost直流母線電壓保護(hù)環(huán)設(shè)計(jì)

同輸入電壓外環(huán)的分析一樣，只考慮直流母線電壓保護(hù)環(huán)工作。輸出電壓uo與輸入電流iL的傳遞函數(shù)Gbi(s)如下，其中Ro為Boost等效輸出電阻。

按照典型二階系統(tǒng)參數(shù)整定可得補(bǔ)償環(huán)的積分時(shí)間常數(shù)τb=1，比例調(diào)節(jié)增益最后可得直流保護(hù)電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)Gob(s)為：

可以從其波特圖看出，它的相位裕量和增益裕量滿足系統(tǒng)要求。

2.5 逆變電路雙環(huán)設(shè)計(jì)

逆變電路采用傳統(tǒng)雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，控制的電壓為直流母線電壓，同Boost電路控制環(huán)路設(shè)計(jì)一樣，全橋逆變電路電流環(huán)的補(bǔ)償環(huán)節(jié)(s)和電流開環(huán)傳遞函數(shù)(s)：

可以從它們的波特圖證實(shí)傳遞函數(shù)有足夠的相位裕量和增益裕量。

3 仿真結(jié)果

3.1 逆變電流輸出并網(wǎng)

逆變器接電網(wǎng)，需保持電感電流iL與電網(wǎng)電壓uLN同頻同相位，仿真波形如圖2所示。從圖2中可以看到，電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流始終同頻同相位，實(shí)現(xiàn)了輸出功率因數(shù)為1的要求。

3.2 最大功率跟蹤仿真

要知道本文中的MPPT能否實(shí)現(xiàn)，需觀察Boost輸入電壓uin和電流iin，其波形如圖3所示，其中輸入電壓幅值縮至0.1倍，輸入電流幅值不變。

從仿真結(jié)果中可以看到，輸入電壓穩(wěn)定在約280 V的位置，輸入電流均值在11.4 A附近，與光伏組件參數(shù)Um=280 V，Im=11.4 A一致，驗(yàn)證了MPPT能實(shí)現(xiàn)。

圖2 電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形Fig.2 Waveform of grid voltage and current

圖3 Boost輸入電壓與電流波形Fig.3 Input voltage and current waveform of Boost

3.3 直流母線電壓保護(hù)仿真結(jié)果

光照增強(qiáng)至1 500 W·m-2下，對加了直流母線電壓保護(hù)環(huán)的直流母線電壓ubusb及Boost電感電流iLb和沒加保護(hù)環(huán)的直流母線電壓ubus及Boost電感電流iL進(jìn)行仿真對比，得到仿真波形圖如圖4所示。

光照增強(qiáng)直接導(dǎo)致光伏組件最大輸出功率增加，由于逆變側(cè)功率被限制，此時(shí)若繼續(xù)做MPPT，多出的功率加在直流母線電容上，圖中可以看到ubus持續(xù)升高，無法抑制；而加了保護(hù)的電路，保護(hù)環(huán)輸出作為Boost電感電流基準(zhǔn)，控制其大小，圖中可見iLb峰值明顯小于iL，使得ubusb穩(wěn)定在直流母線電壓保護(hù)環(huán)的基準(zhǔn)電壓400 V上下，很好的實(shí)現(xiàn)了限制直流母線電壓過高，保護(hù)電路器件，使系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作的目的，證明了該保護(hù)是有效的。

圖4 直流母線電壓保護(hù)驗(yàn)證圖Fig.4 Verification figure of DC bus voltage protection

4 結(jié)論

本文對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，提出了一種新型控制，在Boost功率大于逆變電路功率時(shí)，通過直流母線電容過電壓的保護(hù)控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)Boost功率以匹配逆變電路功率。從仿真波形對比中可以看到這種控制能有效地使直流母線電壓穩(wěn)定在預(yù)設(shè)電壓值附近，同時(shí)滿足系統(tǒng)額定功率輸出，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

[1]陳樹勇，鮑海，吳春洋，等.分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)功率直接控制方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（10）：6-11.

[2]REDDY J N，MOORTHY M K，KUMAR D V A.Control of grid connected PV cell distributed generation systems[C]//Proceedings of TENCON 2008-IEEE Conference.Hyderabad：IEEE，2008：1-5.

[3]肖華鋒，楊晨，謝少軍.基于改進(jìn)型全橋電路的非隔離光伏并網(wǎng)逆變器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（3）：40-46.

[4]王震，魯宗相，段曉波，等.分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性模型及指標(biāo)體系[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（15）：18-24.

[5]KJAER S B，PEDERSEN J K，BLAABJERG F.A review of single-phase grid-connected inverters for photovoltaic modules[J].IEEE Transactions on IndustryApplications，2005，41（5）：1292-1306.

[6]BAE H S，PARK J H，CHO B H.New control strategy for 2-stage utility-connected photovoltaic power conditioning system with a lowcost digital processor[C]//IEEE Power Electronics Specialists Conference，Recife，Brazil，2005.6：2925-2929.

[7] TAN Y T，KIRSCHEN D S，JENKINS N.A model of PV generation suitable for stability analysis[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2004，19（4）：748-755.

[8]陶瓊，吳在軍，程軍照，等.含光伏陣列及燃料電池的微網(wǎng)建模與仿真[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（1）：89-93.

[9]焦陽，宋強(qiáng)，劉文華.光伏電池實(shí)用仿真模型及光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（11）：198-202.

[10]肖華鋒，謝少軍.用于光伏并網(wǎng)的交錯(cuò)型雙管Buck-Boost變換器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（21）：7-12.

[11]李時(shí)杰，李耀華，陳睿.背靠背變流系統(tǒng)中優(yōu)化前饋控制策略的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（22）：74-79.

[12]吳理博，趙爭鳴，劉建政，等.單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)跟蹤算法穩(wěn)定性研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（6）：73-77.

[13] JONG WOO CHOI，SEONG KI SUI.Fast current controller in three-phase AC/DC boost converter using d-q axis crosscoupling[J].IEEE Trans，on Power Electronics，1998，13（1）：179-185.

[14] NAMHO HUR.A fast dynamic dc-bus power-balancing scheme for a PWM converter-inverter system[J].IEEE Trans on Ind Elec，2001，48（4）：794-803.

[15]李玉玲，王克柔，林輝品，等.三相Boost并網(wǎng)逆變器的離散時(shí)間預(yù)測控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（15）：22-26.

[16] CHEN YANG，SMEDLEY K.Three-phase boost-type grid-connected inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23（5）：2301-2309.

[17]周志敏，紀(jì)愛華.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：7.

[18]劉邦銀，段善旭.基于改進(jìn)擾動(dòng)觀察法的光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24（6）：91-94.

[19]栗秋華，周林，劉強(qiáng)，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤新算法及其仿真[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，28（7）：21-25.

[20]徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.11.

[21]葉滿園.預(yù)測平均電流控制PFC Boost變換電路[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，28（2）：24-28.

[22]王鳳巖，許建平.DC/DC開關(guān)電源控制方法小信號(hào)模型比較[J].電力電子技術(shù)，2007，41（1）：75-77.

[23]張興.PWM整流器及其控制策略的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2003：61-67.

[24]朱曉亮.基于電網(wǎng)電壓定向三相并網(wǎng)逆變器的研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010：23-25.

[25]曹震.三相四橋臂有源電力濾波器的控制與實(shí)驗(yàn)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008：35-40.