單相兩級式光伏并網(wǎng)逆變器與單級式相比，雖然結構復雜，但前、后級可分開(kāi)控制，控制方法較簡(jiǎn)單。而且前級DC/DC變換器選用不同的拓撲結構可滿(mǎn)足不同的太陽(yáng)能電池輸入電壓，應用起來(lái)比較靈活。對于單相兩級式光伏逆變器，除了要實(shí)現MPPT和并網(wǎng)逆變外，還必須將連接前后級的母線(xiàn)電容電壓控制在一定范圍內。電壓太低滿(mǎn)足不了并網(wǎng)逆變要求，電壓高則母線(xiàn)電容耐壓也高，體積大。若控制不當，母線(xiàn)電容將一直升高到高出電容耐壓，導致“母線(xiàn)電容崩潰”。
1、 雙PI環(huán)控制
單相兩級式光伏并網(wǎng)逆變器通常前級采用MPPT控制，后級采用電流內環(huán)、母線(xiàn)電壓外環(huán)的雙環(huán)PI環(huán)控制，其典型控制簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中電流內環(huán)控制框圖如圖2所示。
圖1 典型的控制簡(jiǎn)圖
圖2 電流內環(huán)控制圖
并網(wǎng)電流ig與參考電流igref的誤差經(jīng)調節后與高頻三角載波交截，得到驅動(dòng)信號驅動(dòng)逆變橋，實(shí)現電流跟蹤。GiPI(s)為PI環(huán)節傳遞函數;KPWM/(0.5sTs+1)為采用PWM控制的逆變橋傳遞函數，可等效為慣性環(huán)節，KPWM為PWM及主電路增益;1/(sTs+1)為采樣延時(shí)和PWM控制滯后的小慣性環(huán)節。
將采樣延時(shí)環(huán)節和PWM裝置延時(shí)環(huán)節合并，由于開(kāi)關(guān)頻率較高，合并后s2的系數遠小于s的系數，可以將該項忽略，簡(jiǎn)化為一階慣性環(huán)節：1/(1.5sTs+1)。
等效電壓外環(huán)控制框圖如圖3所示，Udc為直流母線(xiàn)電壓;GuPI(s)為PI環(huán)節的傳遞函數;1/(Cs)為濾波電容的傳遞函數;Gi(s)為電流內環(huán)的閉環(huán)傳遞函數。
圖3 等效電壓外環(huán)控制框圖
根據以上電流環(huán)的設計，可得簡(jiǎn)化等效閉環(huán)傳遞函數為：Gi(s)=1/(1+3sTs);同樣將采樣延時(shí)和電流環(huán)傳遞函數合并等效為：1/(1+4s Ts)。
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2、雙PI控制的補償和改進(jìn)
單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和電流均為工頻正弦變量，其輸出有功功率表現為2倍工頻的正弦變量，這樣實(shí)際母線(xiàn)電容就有相同頻率的紋波電壓。因此母線(xiàn)電壓控制環(huán)節產(chǎn)生的參考電流幅值就不是一個(gè)標準的直流變量，也含有2倍頻交變分量，電流基準給定信號就不是標準的正弦波，因此會(huì )導致實(shí)際并網(wǎng)電流波形THD升高。
另一方面，市電電網(wǎng)電壓包含大量的低次和高次諧波，實(shí)際用電負荷的突變還會(huì )導致電網(wǎng)電壓隨機波動(dòng)。電流環(huán)中沒(méi)有考慮到電網(wǎng)電壓ug對電流波形的影響。
設igref與ig的誤差信號為ie，則ie=igref-ig，差分方程為：die/dt=digref/dt-dig/dt。若不考慮開(kāi)關(guān)頻率諧波分量的影響，有：
Lfdig/dt=uAB1-ug (1)
式中：Lf為輸出濾波電感；uAB1為橋臂輸出側基波分量。
設ie接近零，可得die/dt=digref/dt-(uAB1-ug)/Lf=0。根據逆變器調制原理可得：
uAB1=Udcum/Utri (2)
式中：um為逆變器正弦調制信號;Utri為三角載波幅值。
整理可得：
um=Lf(Utri/Uref)d[(Uref/Udc)igref]/dt+(Utri/Udc)ug (3)
(Uref/Udc)igref說(shuō)明母線(xiàn)電壓的紋波影響并網(wǎng)電流，(Utri/Udc)ug說(shuō)明電網(wǎng)電壓對電流控制也有影響。所以單純采用雙PI控制在實(shí)際電路中很難滿(mǎn)足并網(wǎng)逆變器THD<5%的要求。根據式(3)可知，若增加Udc/Uref乘以電網(wǎng)電壓作為前饋補償，就可消除電網(wǎng)電壓對并網(wǎng)電流的影響。
3、電壓外環(huán)PR調節
單純采用雙PI控制時(shí)，為了保證系統穩定性和動(dòng)態(tài)性能，電壓環(huán)環(huán)寬一般都設為200～500 Hz，即使加入母線(xiàn)紋波補償，也無(wú)法完全抑制100 Hz紋波對并網(wǎng)電流的影響。若采用PR調節器作為電壓外環(huán)調節器，則可很好地抑制母線(xiàn)紋波對并網(wǎng)電流的影響，同時(shí)可保證系統動(dòng)態(tài)系能，即有：
Gc(s)=Kp+Kr(s2+ω2)/[s2+(ω/Q)s+ω2] (4)
4、單相兩級式光伏并網(wǎng)逆變器控制策略
一般單相兩級式光伏并網(wǎng)逆變器采用前后級分開(kāi)控制的方法，當系統功率隨著(zhù)MPPT控制不斷變化時(shí)，首先體現為母線(xiàn)電容的電壓變化然后通過(guò)后級控制改變并網(wǎng)電流。
下面提出一種新的系統控制策略，其核心思想是根據前級MPPT的功率先預置一個(gè)逆變的參考電流幅值，然后經(jīng)一個(gè)比例控制器確定最終的逆變參考電流。這個(gè)比例控制器是母線(xiàn)采樣電壓與參考電壓(一般380V)的比值。這樣當前級MPPT調節功率變化時(shí)，可直接體現為后級參考電流的變化，并通過(guò)母線(xiàn)電壓的比例控制器將母線(xiàn)電壓穩定在參考值附近。
不考慮紋波，若母線(xiàn)電壓均值大于或小于參考值，則會(huì )相應調高或降低逆變的參考電流，使母線(xiàn)電容進(jìn)行相應的充放電，母線(xiàn)電壓保持在參考電壓附近，以保證前后級功率平衡，起到穩壓作用。對于母線(xiàn)紋波，通過(guò)母線(xiàn)電壓控制器，不僅穩住母線(xiàn)電壓，而且抑制了母線(xiàn)紋波對并網(wǎng)電流的影響，還使后級實(shí)現了單電流環(huán)控制，控制更簡(jiǎn)單。其控制原理如圖4所示。
圖4 新控制法控制框圖
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5、 Saber仿真驗證
在Saber中搭建如圖1的仿真模型，母線(xiàn)參考電壓380 V，系統工作在額定功率3 kW，前級采用導納增量法實(shí)現MPPT并升壓。
Boost輸出電壓(母線(xiàn)電壓)一直穩定在380V附近，采用雙PI控制方法時(shí)的波形如圖5a所示。由圖可見(jiàn)，母線(xiàn)電壓存在100 Hz的脈動(dòng)紋波;單純的雙PI控制逆變并網(wǎng)電流波形存在明顯畸變，THD=4.63%。當系統功率變化時(shí)，0.45 s開(kāi)始功率從3 kW變化到0.5 s時(shí)的1.9 kW，母線(xiàn)電壓和并網(wǎng)電流波形如圖5b所示?？梢?jiàn)，母線(xiàn)電壓穩定在380 V附近，有100Hz的脈動(dòng)紋波。并網(wǎng)電流不是很理想，當功率從3 kW變化到1.7 kW時(shí)，母線(xiàn)電壓有一個(gè)先減小然后增加的調節過(guò)程。
將電壓外環(huán)PI改為按照式(4)取值的PR調節器，電壓和輸出電流波形如圖5c所示，可見(jiàn)，采用PR控制輸出并網(wǎng)電流波形沒(méi)有明顯畸變，THD=1.22%。PR控制功率變化時(shí)母線(xiàn)電壓和并網(wǎng)電流波形如圖5d所示，可見(jiàn)，電壓外環(huán)采用PR調節時(shí)，系統的動(dòng)態(tài)調節更快。當功率變化時(shí)，雙PI控制大概在10個(gè)電網(wǎng)周期才能過(guò)渡到一個(gè)穩態(tài)；而電壓外環(huán)PR調節可使母線(xiàn)電壓和并網(wǎng)電流平滑過(guò)渡，只需2個(gè)周期即可進(jìn)入下一個(gè)穩態(tài)。
圖5 仿真波形
由圖4搭建仿真模型，3 kW時(shí)母線(xiàn)電壓和并網(wǎng)電流波形如圖5e所示?？梢?jiàn)，采用新控制方法可保證母線(xiàn)電容穩壓和很好的并網(wǎng)電流，THD只有0.8%。新控制方法下功率變化時(shí)母線(xiàn)電壓和并網(wǎng)電流波形如5f所示，對比可見(jiàn)，在前級功率變化時(shí)，新控制方法和雙PI控制系統動(dòng)態(tài)性能更好。新控制方法中，系統功率變化時(shí)，電流和母線(xiàn)電壓過(guò)渡更加平穩，同時(shí)能保證高質(zhì)量的輸出電流。
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6、實(shí)驗驗證
H橋采用光伏專(zhuān)用模塊FZ06BLA045FH-P897E，二極管采用SiC肖特基二極管，其快恢復性能好，可顯著(zhù)降低開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾?？刂撇?/p>
用DSP2808芯片。采用圖4中的控制方法，非隔離并網(wǎng)，濾波電感3 mH，實(shí)驗波形如圖6所示。
圖6 實(shí)驗波形
可見(jiàn)，并網(wǎng)電流波形質(zhì)量隨著(zhù)功率增加越來(lái)越好，測量半載1.5 kW時(shí)并網(wǎng)電流THD≈1%。
7、結論
對單相兩級式光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行建模，通過(guò)理論分析和仿真可知，傳統的母線(xiàn)電壓外環(huán)、電流內環(huán)控制為兼顧并網(wǎng)電流質(zhì)量和系統動(dòng)態(tài)性能，必須在后級電流環(huán)中加入母線(xiàn)電壓紋波補償和電網(wǎng)電壓抑制補償環(huán)節。若在電壓環(huán)中采用比例諧振調節器控制，將諧振點(diǎn)設置在100 Hz左右，可以抑制母線(xiàn)紋波電壓對并網(wǎng)電流的影響，同時(shí)保證系統動(dòng)態(tài)性能。
提出一種基于功率平衡原理的控制方法，將一個(gè)比例控制器作為母線(xiàn)電壓調節器加入后級逆變環(huán)路中，使后級可采用簡(jiǎn)單的電流環(huán)控制，在母線(xiàn)電容穩壓的同時(shí)消除了紋波電壓對并網(wǎng)電流的影響。傳統的雙環(huán)控制前后級分開(kāi)獨立，這樣前級功率變化時(shí)，首先體現為母線(xiàn)電壓變化，然后并網(wǎng)電流跟隨母線(xiàn)電壓變化，新控制方法中，前級功率變化時(shí)直接作用到后級電流控制中，系統動(dòng)態(tài)響應更快。仿真和實(shí)驗驗證了該方法的可行性。
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