0 引言

    隨著人們大量使用化石能源,，當前能源結(jié)構(gòu)形勢變得復雜且嚴峻。光伏發(fā)電是利用太陽能發(fā)電技術(shù)應用到現(xiàn)代電力系統(tǒng)中解決能源短缺的新技術(shù),，有著減小環(huán)境污染等不可替代的優(yōu)點,，逐漸成為分布式發(fā)電應用的新方向^[1-3]。

    本文介紹了一種基于DSP的小功率雙模式光伏逆變電源的設計,，一方面適用于家庭獨立供電系統(tǒng),，另一方面可以將多余電量饋入電網(wǎng),。詳細說明了采用經(jīng)典PI控制的系統(tǒng)不僅需要整定復雜的PI參數(shù)，還需充分考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性及電流跟蹤能力^[4],；而用預測電流無差拍方法控制的系統(tǒng)參數(shù)可以由系統(tǒng)電路參數(shù)確定。經(jīng)過MATLAB軟件仿真和實驗樣機測試證明了該方案的可行性,。

1 兩級式逆變電路

    我國人口眾多，能源消耗大,，但光照充足,、屋頂資源豐富，如果可以充分利用太陽能提供電能,，將大大解決能源問題。太陽能與電能之間轉(zhuǎn)化的橋梁是逆變器,，傳統(tǒng)三相逆變器一般選擇用SPWM方法調(diào)制,，而SVPWM因其直流電壓利用率高，諧波小等優(yōu)點,，已經(jīng)成為現(xiàn)在主要的調(diào)制方式。電壓型逆變器數(shù)字化電流控制是為了可以獲得一個適當?shù)膸?，從而可以實現(xiàn)對參考電流進行實時準確追蹤,。

    傳統(tǒng)的兩級式三相電壓型逆變系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示,，光伏電池陣列把太陽能轉(zhuǎn)變成電能，經(jīng)過前級boost升壓,，然后再經(jīng)過三相逆變器輸出三相交流電,。

    直流側(cè)一般由兩個支撐電容串聯(lián)而成,，起到穩(wěn)定母線電壓、吸收紋波電流,、功率解耦,、均壓等作用。實際應用中還需在每個電容兩端并聯(lián)一定阻值的均壓電阻,，其作用一是解決均壓的問題,，二是在系統(tǒng)停機時，可以提供一個能量釋放的通道,，所以這個電阻可以稱為均壓電阻或釋放電阻。支撐電容的計算有多種方法,，本設計根據(jù)C_d≥2T_d·P_max/(U_dc²)計算，可得C_d為332 μF(T_d為逆變器從空載到滿載的響應時間,，P_max為系統(tǒng)最大輸出功率,，U_dc為直流母線電壓),。選擇兩只450 V/1 000 μF電解電容串聯(lián)，等效電容容值500 μF,，泄放電阻選擇10W30KJ,。

    電路分為兩部分,，前級負責提高輸入電壓和MTTP閉環(huán)，后級實現(xiàn)逆變,，這種兩級式電路的特點就是雙環(huán)控制，控制方便,，可以自由擴展^[5-7],。由于內(nèi)環(huán)采用經(jīng)典PI控制輸出的交流電流,，控制簡單且易于實現(xiàn)，但PI調(diào)節(jié)無法解決逆變器輸出電流相位,、幅值與給定值之間誤差等問題,。本系統(tǒng)使用基于預測電流的無差拍方法,，對逆變器的電流內(nèi)環(huán)進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，無差拍算法依賴于具體的數(shù)學模型，在實現(xiàn)無靜差跟蹤的同時由預測算法控制參數(shù),，可以增加系統(tǒng)抗干擾能力。

2 經(jīng)典PI控制策略

    逆變系統(tǒng)直軸電流在數(shù)字域下控制框圖如圖2所示,，在一個采樣周期內(nèi)，PI調(diào)節(jié)器離散化傳遞函數(shù)為G_c(z)=K_P+K_IzT_s/(z-1),，K_pwm為逆變器增益,，K₁為濾波電感電流反饋系數(shù),，T_s為采樣周期^[8],。

    逆變器輸出電流對并網(wǎng)電壓離散化經(jīng)過零階保持器后的傳遞函數(shù)G_ZOH(z)為：

    逆變器采用LC濾波，濾波電感參數(shù)取3 mH,，濾波電容取2 μF，等效增益K_pwm取60,。將參數(shù)代入式(4),，可以求得PI參數(shù)的穩(wěn)定范圍,，如圖3所示。

    由于PI參數(shù)整定復雜,，K_P值過大或K_P和K_I值過小都會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性,，K_P值過大,，在高頻區(qū)域會出現(xiàn)諧波放大現(xiàn)象，K_P值過小,，在基頻區(qū)域會出現(xiàn)較大的跟蹤誤差,。綜合考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性及電流跟蹤能力，反復調(diào)試后選取K_P和K_I為0.3和300,。當T_s為0.01 ms時,，系統(tǒng)單位階躍響應如圖4所示。從圖中可以看出,，系統(tǒng)超調(diào)量較大,，在1.5 ms時趨于穩(wěn)定。

3 預測電流無差拍控制策略

    傳統(tǒng)的無差拍電流控制因為采樣、計算延時,，導致計算電流與實際存在大小和相位上的偏差,，甚至出現(xiàn)畸變。為消除控制延時帶來的誤差,，本文對無差拍電流算法k+2時刻電流進行預測改進,，利用相鄰時刻電流偏差近似計算k+1時刻電流。

    以A相為例,，輸出電壓為u_sa,，采樣周期為T_s，k+1時刻占空比為D(k+1),，離散化采樣輸出電壓得無差拍數(shù)學模型^[9]：

    同理可推k+2時刻采樣電流值，傳統(tǒng)無差拍由于采樣控制延時實際是滯后一拍控制^[10],。由于采樣周期遠小于電網(wǎng)基波周期,，為優(yōu)化控制,，采用預測交流電流和電壓代替采樣值。采用線性外推預測估計電網(wǎng)電壓,，可得k+1時刻電壓估計值,，用算術(shù)平均值外推預測電流,，可以減小電流誤差，有利于消除電流尖峰,，用過迭代消除k+1項,。

    圖5為預測電流控制框圖,，G₁(z)為濾波電感傳遞函數(shù)，G₂(z)為系統(tǒng)延時,，G₃(z)為無差拍控制器,?？驁D中K=L′/L，表示控制算法中電感值與實際電感值的比值,。

    由框圖可得系統(tǒng)開環(huán),、閉環(huán)傳遞函數(shù)分別為：

    應用朱利判據(jù)可知，當0<K<2時,，系統(tǒng)穩(wěn)定，若考慮到實際中隨著濾波器階數(shù)的升高,，穩(wěn)定范圍會更小,。圖6(a)、圖6(b),、圖6(c)分別為T_s=0.1 ms，K=0.5,，K=1,，K=1.5系統(tǒng)的單位階躍響應。通過對比分析可知,，根據(jù)K值取值不同，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也各不相同,。當0<K<0.5時,，系統(tǒng)平滑響應,，沒有超調(diào)量,。此時不斷增加K值,，系統(tǒng)動態(tài)響應不斷加快,；當0.5<K<1時,，響應較為迅速并開始有超調(diào)量，此時若取得合適K值,，系統(tǒng)可獲得最佳性能；當1<K<2時，隨著K值增加,，系統(tǒng)超調(diào)量不斷增大并出現(xiàn)振蕩,，控制器失穩(wěn)。

    傳統(tǒng)解耦方法是以采樣得到的三相電流瞬時值經(jīng)過坐標變換求得的i_d,、i_q作為補償量,，如式(13)所示,。傳統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)解耦框圖如圖7所示。

    由于傳統(tǒng)解耦方法的電壓補償量中含有解耦電流分量,，解耦后的電流脈動分量相互影響,，這會造成電壓參考值脈動,，從而降低入網(wǎng)電流波形質(zhì)量,。為改善傳統(tǒng)解耦方法，提高輸出波形質(zhì)量,，將直軸和交軸電流參考值替換解耦后的電流分量，以減小脈動直流分量,，提高入網(wǎng)電流波形質(zhì)量,，如式(14)所示,。改進的電流內(nèi)環(huán)解耦框圖如圖8所示。

    將直軸和交軸電流參考值替換解耦后的電流分量的解耦方法,，避免了脈動分量之間的耦合,，可以提高系統(tǒng)的響應速度和入網(wǎng)電流質(zhì)量。

4 系統(tǒng)仿真驗證

    本文在MATLAB/Simulink軟件中對該系統(tǒng)進行了仿真,，直流輸入電壓380 V，交流側(cè)輸出電壓有效值110 V,，頻率50 Hz,，功率器件開關(guān)頻率20 kHz，濾波電感3 mH,，交流側(cè)電阻0.1 Ω。

    圖9是逆變器輸出電壓和電流波形,，圖9(a)是A相輸出電壓和電流波形,，圖9(b)是逆變器滿載時A,、B、C相電壓波形,，為顯示方便，縮小30倍,，從圖中可以看出三相電壓輸出平衡無脈動,。

    圖10(a)是給定d軸電流幅值,，模擬的是突然卸去負載時的情況，從圖中可以看出,，在0.05 s參考電流從1 A突降為0，圖10(b)反映的是相應三相電流輸出變化值,?？梢钥闯?，當系統(tǒng)給定電流閃變時,，入網(wǎng)電流經(jīng)過短暫過渡，很快地響應了給定參考值,，表明了系統(tǒng)有較好的動態(tài)反應特性,。

    用MATLAB/Simulink中Powergui FFT分析工具，分別測量PI和無差拍控制輸出電流THD,，從圖11中可以看出,，PI控制的系統(tǒng)輸出電流波形雖平整無毛刺，但波形總體諧波含量較多，THD為5.12%,，尤其是奇次諧波含量多,；從圖12中可以看出，使用無差拍控制方法的系統(tǒng)輸出電流諧波含量相對較少,，THD為2.7%，電流波形質(zhì)量良好,，平整無毛刺,，滿足國家并網(wǎng)要求。

5 實驗

    為了檢驗本文所采用的控制方法的可行性,，設計了一臺小功率的實驗樣機并對其進行了實驗,。開關(guān)頻率20 kHz,，功率器件IGBT選擇G60N100，導通時間320 ns,，關(guān)斷時間130 ns,，可以滿足設計要求。調(diào)制度M為0.95,，前級直流輸入330 V,，三相輸出電壓峰值約為157 V，有效值約110 V,。輸出電壓再經(jīng)過三相工頻變壓器轉(zhuǎn)變?yōu)?20 V,。圖13(a)為逆變器輸出電壓和電流波形。圖13(b)為SVPWM調(diào)制波波形,，通過DSP程序?qū)⒔嵌绒D(zhuǎn)換成正值從DA顯示出來,。

    圖14為調(diào)制度M為0.95時濾波前后逆變器線電壓輸出波形，圖中波形顯示清晰,，三相輸出電壓走勢平穩(wěn)，波形一致,，沒有較大的波動,，說明系統(tǒng)運行良好穩(wěn)定。

6 結(jié)論

    針對經(jīng)典PI算法在系統(tǒng)響應速度和解決靜差方面的缺點,，本文從理論上和實驗上分析和驗證了預測電流算法的優(yōu)越性,，結(jié)合三相電壓型逆變器特點，可以提高電壓增益和逆變效率,。優(yōu)點主要體現(xiàn)在：

    (1)無差拍控制方法依賴精確的數(shù)學模型,，需要確定系統(tǒng)電路的參數(shù)，而PI參數(shù)需考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應速度,，參數(shù)整定過程復雜繁瑣,。

    (2)從圖4和圖6可以看出，使用無差拍控制方法的系統(tǒng)比PI控制的系統(tǒng)響應速度更快,，PI方法大概在1.5 ms時趨于穩(wěn)定,，而無差拍方法在1 ms時就可以穩(wěn)定。

    (3)根據(jù)仿真,，在同等電路條件下,，無差拍方法的入網(wǎng)電流諧波比PI小。

    (4)無差拍控制的電流與給定值之間幾乎沒有相位誤差,，而PI由于積分環(huán)節(jié),，總會存在一定的相角滯后。

    本文主要對逆變環(huán)節(jié)優(yōu)化設計,，但亦有不足之處,應對以下方面進行改進：

    (1)逆變器接三相工頻變壓器入網(wǎng),，未考慮變壓器漏感帶來的影響,，在弱電網(wǎng)條件下與前面LC濾波電路形成LCL三階系統(tǒng)^[12]；

    (2)未對變壓器參數(shù)進行在線辨識,；

    (3)未考慮前級光伏電池陣列輸出電壓變化趨勢,。

參考文獻

[1] 丁明，王偉勝,，王秀麗,，等.大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)影響綜述[J].中國電機工程學報，2014(1)：1-14.

[2] 蘇劍,，周莉梅，李蕊.分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的成本/效益分析[J].中國電機工程學報,，2013(34)：50-56,，11.

[3] 謝檬，趙錄懷,，王娟.分布式發(fā)電微網(wǎng)控制系統(tǒng)的設計[J].電子技術(shù)應用,，2017,，43(6)：151-154,，158.

[4] 黃欣科,，王環(huán)，王一波,，等.光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點電壓升高調(diào)整原理及策略[J].電力系統(tǒng)自動化,，2014(3)：112-117.

[5] 胡國文，於鋒,，王威.STATCOM與固定電容組合的高壓異步電動機動態(tài)無功補償節(jié)能技術(shù)[J].電力自動化設備,，2011(3)：75-78.

[6] 黨存祿，李建華,，杜巍,，等.組合爬山法與變論域模糊控制的MPPT算法[J].電子技術(shù)應用，2018,，44(3)：143-146,，150.

[7] 姚志壘.并網(wǎng)逆變器關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學，2012.

[8] 黃朝霞,，鄒云屏，王成智,，等.基于PI控制的電力電子負載[J].高電壓技術(shù)，2009(6)：1451-1456.

[9] 陳榮,，何松原.電流預測無差拍在三相并網(wǎng)逆變器中研究[J].電子技術(shù)應用,，2016，42(8)：154-156,，165.

[10] 楊勇，阮毅,，葉斌英，等.三相并網(wǎng)逆變器無差拍電流預測控制方法[J].中國電機工程學報,，2009(33)：40-46.

[11] 黃天富，石新春,，魏德冰,，等.基于電流無差拍控制的三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012(11)：36-41.

[12] 吳恒,，阮新波,，楊東升，等.弱電網(wǎng)條件下鎖相環(huán)對LCL型并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性的影響研究及鎖相環(huán)參數(shù)設計[J].中國電機工程學報,，2014(34)：5259-5268.

作者信息:

何松原,，沙國榮

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 南京210023)