新型太阳能并网逆变器分析研究

摘要：传统的太阳能并网逆变器通常采用PI控制策略，但传统PI控制策略具有控制精度不高，鲁棒性较差的缺点。针对传统PI控制的缺点，对太阳能并网逆变器的控制策略进行了改进，提出一种新型的基于直接电流跟踪控制的太阳能并网逆变器控制策略。该控制策略将传统PI控制和现代重复控制理论相结合，能够有效抑制电网侧和负载侧对并网输出电流的周期性扰动，降低并网电流的THD。实验结果表明，新的控制策略可以有效改善并网电流波形，同时可以保证逆变器输出电流与电网电压的同频同相，满足太阳能并网发电的要求。
关键词：太阳能发电；逆变器；直接电流跟踪控制；并网电流

进入21世纪以来，世界各国都加大了对太阳能光伏发电系统的研究，各种并网发电装置的应用逐渐增多。然而，随着投入使用的并网逆变装置增多，其输出的并网电流谐波对电网电压的污染也越来越大。为降低并网电流对电网的谐波污染，需要对并网逆变器的控制算法进行研究和改进。该系统采用重复控制技术来抑制电网侧和负载侧对并网输出电流的周期性扰动，降低并网输出电流的THD值，减小并网电流对电网的谐波污染。

1 系统组成
1．1 主电路结构
图1为系统的主电路及控制结构图，它属输出电流控制的电压型有源逆变器。系统采用由智能功率模块构成的全桥结构。由图1可知，太阳能阵列输出的能量先经过全桥逆变和电感滤波，以受控电流源的方式并入电网。其控制过程是：与电网电压同频同相的参考电流给定值与实际的并网电流瞬时反馈值进行比较，差值通过PI调节器处理后，与实际的电网电压瞬时反馈值进行比较，再经三角波调制，输出正弦波脉宽调制信号，经驱动电路放大，驱动功率开关器件，从而产生与电网电压同频同相的正弦波电流。

1．2 系统逆变环节的数学模型
图1中取流经滤波电感L的电流iL为状态变量。则由图1可得：
uab=unet+L(di／dt)+ir (1)
由式(1)经过Laplas变换，可解出i(s)：
i(s)=[1／(sL+r)][uab(s)-unet(s)] (2)
式中：uab是未经滤波的逆变器输出电压；r为线路的等效电阻。
当逆变器的开关频率较高时，忽略开关器件和死区特性的影响，SPWM控制方式下的桥式逆变器可近似为一个等效的放大系数为K的放大环节，即：
G(s)=K (3)
由式(2)和式(3)可得系统结构图见图2。

2 系统控制策略
为了使逆变器输出良好的并网电流波形，必须对逆变器的输出并网电流进行闭环控制。死区、逆变器内部的不对称因素、直流侧电压和电网等扰动的存在都会使逆变器输出的并网电流波形畸变。而采用传统的PI控制来跟踪正弦给定信号时并不能实现该系统的无静差跟踪。
根据自动控制理论，在实际系统既有输入信号作用，又存在扰动的情况下，为了减小或消除系统在输入和扰动同时作用下的稳态误差，可以采用如下办法：加大扰动作用点之前的前向通道增益，可以减小稳态误差，但对高阶系统而言，过大的增益会使系统动态性能恶化；在扰动作用点之前的前向通道中引入积分环节，可以消除系统的稳态误差，然而积分环节的引入对系统的稳定性是不利的；采用前馈补偿的方法。这一方法既可以使系统有较高的稳态精度，又可有良好的动态性能。因此，在并网电流的跟踪控制过程中，为了抵消电网电压及其扰动量的影响，系统采用电网电压前馈控制。为了改善系统的稳态性能，抑制网侧和负载侧对并网输出电流的周期性扰动，降低并网输出电流的THD值，该系统在PI控制的基础上引入了重复控制技术。系统控制原理图如图3所示。

结合上述控制策略，本文进行了太阳能并网逆变器的实验研究，实验参数如下：输出功率为1 kW，开关频率为20 kHz，滤波电感为0.5 mH，控制芯片采用TI公司的TMS320LF2407A。并网电流inet和电网电压unet实验波形如图4所示(为了便于观看，电流信号反相)。由实验结果可以看出，采用上述控制策略时，并网电流波形较好，完全能够满足THD的要求。

3 结语
为降低并网电流对电网的谐波污染，本文对太阳能并网逆变器的控制策略进行改进，提出一种新型的基于直接电流跟踪控制的太阳能并网逆变器控制策略。本文对该控制算法进行了理论分析并进行了相关实验实验结果表明，新的控制策略可以有效改善并网电流波形，降低并网输出电流的THD值，减小并网电流对电网的谐波污染。