基于LCL滤波的光伏并网逆变器电流滞环控制概要.docx
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基于LCL滤波的光伏并网逆变器电流滞环控制概要
基金项目:
国家自然科学基金项目（50667002;新疆大学青
年科研启动基金（QN070136
定稿日期:
2009-03-26
作者简介:
戴训江（1974-,男,新疆昌吉人,博士生,研究方
向为光伏并网发电技术及电能质量分析和控制。
1引言
太阳能光伏发电是最有发展前景的可再生能源技术,是当今光伏电源应用的主要研究领域,并网逆变器是研究的核心。
为了对系统状态和运行模式进行仿真研究,建立了光伏模块数学模型。
光伏模块电气参数是环境条件如温度和光照强度的函数,光伏模块的输出电压和电流受环境温度、太阳辐射强度和负载变化的影响,因此并网逆变器的运行特性和动态响应亦需要考虑温度和光照强度变化的影响。
为使光伏变换器最大化地将电能传输到电网,采用改进的电导微增量算法（IncrementalConduc-tanceAlgorithm,简称ICA。
该算法具有控制精确,响应速度快的特点。
目前,光伏逆变器主要的发展趋
势是通过LCL滤波器并入电网。
LCL并网过程中会引起LC支路谐振,使注入电网的电流发生振荡,影响系统稳定性,必须采取有效的阻尼方法加以抑制。
基于单级无变压器的并网逆变器拓扑结构,构建了光伏阵列、单相全桥PWM逆变器、三阶T形滤波器和电网主电路,将最大功率跟踪（MPPT控制算法和有源阻尼算法集成在电流滞环控制系统中[1],以实现功率的最大传输,抑制LCL滤波器的自然谐振,提高系统稳定性。
利用数字仿真平台对光伏并网逆变器的主电路系统和控制系统进行了仿真。
结果表明,在电流滞环跟踪控制的作用下,并网逆变器注入电网的电流与电网电压同相,功率因数接近1,并消除了LCL滤波的谐振问题。
2
系统建模
2.1
单相光伏并网拓扑结构
图1示出单相光伏并网逆变器通过LCL滤波器并入电网的系统拓扑结构,控制系统为集成的统一控制系统。
基于LCL滤波的光伏并网逆变器电流滞环控制
戴训江,晁
勤
（新疆大学,新疆乌鲁木齐
830008
摘要:
并网型逆变器是太阳能光伏并网发电的关键部件,提出的光伏并网逆变器通过LCL滤波器并入电网,采用非线性的电流滞环控制策略,建立光伏模块和LCL滤波器的数学模型,将基于电导增量算法的最大功率跟踪（MPPT控制和有源阻尼算法集成在滞环控制系统中,实现了光伏模块最大功率输出,并有效抑制了LCL滤波器的自然谐振。
提出了集成统一的电流滞环控制策略。
仿真结果验证了光伏模块数学模型和MPPT算法的有效性,对光伏并网逆变器受外界环境变化影响的动态响应仿真表明,集成统一的电流滞环跟踪控制应用于光伏并网逆变器能改善注入电网的电流品质,提高系统的稳定性。
关键词:
逆变器;滤波/光伏;最大功率跟踪;滞环控制中图分类号:
TM615;TM464
文献标识码:
A
文章编号:
1000-100X（200907-0033-03
CurrentHysteresis-bandControlofSolarPhotovoltaicGrid-connectedInverter
throughLCLFilter
DAIXun-jiang,CHAOQin
（XinjiangUniversity,Urumqi830008,China
Abstract:
Grid-connectedinverterisakeyelectricalelementforsolarphotovoltaicgrid-connectedelectricitygeneration.ThephotovoltaicinverterisconnectedtopowergridthroughLCLfilter,andnon-linearcurrenthysteresisbandschemeareadopted.PhotovoltaicmathematicalmodelandLCLfiltermodelarebuildforsimulativeanalysis,andmaximumpowerpointtracking（MPPTcontrolandactivedampingalgorithmareintegratedinthesystemcontrolloop,thusthefunctionofmaxi-mumpoweroutputofphotovoltaicarrayandprohibitnaturalresonanceofLCLfilterareaccomplishedeffectively,finallytheintegratedandunifiedcurrenthysteresiscontrolstrategyisputforward.Thesimulativeresultindicatesthatthephoto-voltaicmathematicalmodelandthealgorithmofMPPTarevalid,thedynamicresponseofgrid-connectedinverterwhichaffectedbyclimateconditionchangeissimulated,whichrevealstheintegratedcurrenthysteresisbandcontrolschemeap-pliedinthephotovoltaicgrid-connectedinvertercanimprovethegrid’spowerqualityandincreasesystemstability.Keywords:
inverter;filter/photovoltaic;maximumpowerpointtracking;hysteresisbandcontrol
FoundationProject:
SupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina（No.50667002;YouthStartupFundofXinjiangUniversity（No.QN070136
2.2光伏阵列建模
光伏阵列模块的数学模型可用于描述电气参数电压、电流和功率特性曲线,如P-U曲线,I-U曲线。
根据光伏模块的I-U曲线,选择其一个运行点作为参考电流,利用生产商数据手册提供的电气参数,光伏模块运行点参考电流表达式为:
Ir=Isc1-k1exp
U
rk2
Uoc
-
1△△（1
式中:
k1=（1-Imp/Iscexp[-Ump/（k2Uoc],k2=（Ump/Uoc-1/[ln（1-
Imp/Isc],Imp,Ump为光伏模块最大功率点电流和电压;Ir,Ur为
光伏模块参考点电流和电压;Isc为光伏模块的短路电流;Uoc为光伏模块的开路电压。
对式（1变形,将I-U曲线上的Ur,Ir转移到新
的运行点U,I上。
设α,β为电流和电压温度系数,Rs为光伏模块等效电路的串联电阻,λ为光照强度（W/
m2,则有:
△T=T=Tr,△I=α（λ/λr△T+（λ/λr-1Isc
△U=-β△T-Rs△I,U=Ur+△U,I=Ir+△△
I
（2
若光伏发电系统由Ns个光伏模块串联和Np个光
伏模块并联组成,则光伏系统的输出电压和电流为:
Upv=NsU,Ipv=NpI
（3
基于光伏模块数学模型建立其Matlab通用仿真模型,通过在界面上直接修改温度和光照强度等环境参数和光伏模块的电气参数,实现了光伏模块的通用性建模。
对180W单晶硅光伏模块NU-SOE3E的仿真计算结果表明,基于所述数学模型的仿真分析曲线与生产商提供的特性曲线非常吻合,从而验证了光伏模块数学模型及通用仿真模型的有效性和实用性。
图2示出仿真特性曲线与生产商测试的特性曲线对比分析（环境温度为25℃。
图2光伏模块仿真特性曲线
2.3最大功率点跟踪建模
光伏阵列在一定的光照强度和环境温度下,可
以工作在不同的输出电压,但只有在输出电压为Ump
时,其输出功率才达到最大值,此时光伏阵列的工作点达到了输出P-U曲线的最高点,即最大功率点。
MPPT控制策略是实时检测光伏阵列的输出功率,采用一定的控制算法预测当前工况下阵列可能输出的最大功率,通过改变当前的阻抗来满足最大功率输出的要求。
这里采用改进的ICA算法[2],该算法的原理是光伏阵列的P-U曲线在功率最大值Pmax处的斜率为零,通过比较光伏阵列的电导增量和瞬时电
导改变控制信号。
ICA算法控制精确,响应速度快,适用于大气条件变化较快的场合,其算法流程如图3a所示。
基于ICA算法的原理,在Matlab/Simulink环境下建立MPPT仿真模块,其核心是内嵌两个m函数,其中函数mppt（实现算法结构,Ddet（实现真正的MPPT,图3b为采用ICA算法追踪到的Ump和
Imp,其值为（314.18,7.77。
图3
改进ICA算法流程图和用该法追踪到的最大功率点
3LCL滤波器
3.1LCL数学模型
目前,采用LCL并网是国内外研究的热点。
LCL
滤波器是三阶滤波器,能有效滤除开关频率的高频分量,减小无源元件LCL的体积和重量,具有良好的滤
波效果
。
图4示出单相
LCL
滤波通用等值电路。
R1,R2为逆变器侧和电网侧电感的串联等值电阻分量L2为电网阻抗和LCL网侧电感的等效串联阻抗之和
图4单相LCL滤波器通用等值电路
电网侧电流iL2与逆变器输出电压uPWM之间的传递函数为:
H（s=iL2uPWM
=[L1L2Cs3+（L1Rd2C+L2R1Cs2+
（L1+L1CR2+L2s+（R1+R2]-1（4
但是,LCL滤波器存在着LC支路的谐振问题,
谐振不仅使注入电网的电流发生振荡,电流波形畸变,降低电能质量,而且若无足够的阻尼,将会引发系统的稳定性问题。
为了满足注入电网的电流质量要求,必须采取措施抑制LCL滤波器的谐振。
3.2有源阻尼算法
有源阻尼算法的基本思想[3]是设法在控制系统
中引入阻尼因子,以取代无源电阻,从而减小电阻损耗,提高效率,保持系统稳定性,但这会增加传感器的数量,使控制系统复杂化。
图5示出所采用的基于电容电流反馈的有源阻尼控制框图,这里忽略了逆
变器侧和网侧电感串联等值电阻分量R1和
R2。
uctrl对应于逆变器电感电流控制器的输出图5基于电容电流反馈的有源阻尼控制框图
系统传递函数为:
Hdamp（s=iL2uctrl
=sL1L2Cs2+sK
1+ωres2
-1
（5
式中:
ωres为无阻尼自然谐振角频率,ωres=（L1+L2/（L1L2C姨;
K为阻尼权重系数,K=2DL1ωres;D为阻尼因数。
若能合理设置K,基于滤波电容电流反馈的有源阻尼就能发挥与无源阻尼类似的抑制谐振效果,避免采用无源电阻造成的功耗和效率问题。
图6示出不同D时波特图,表明D增大时,滤波带宽减小。
为有效地抑制谐振,需要修正参考电流,其表达式为:
iL1d*=iL1*
-uC0
RpC0
（6
由于修正后的参考电流相位滞后于电网电压
ug,应设置一个相位超前环节加以补偿,使电网电流ig与ug同步,功率因数接近1。
相位超前环节的传递
函数为:
Hph（s=kd1+aTds
d（7
图6
不同D时系统开环波特图
4
电流滞环控制策略
4.1
电流滞环控制原理
图7示出两态电流滞环宽度控制器的原理图。
当电流误差信号向上超过滞环宽度H时,产生的脉
冲信号触发VS1和VS4导通,VS2和VS3截止,L1上的电流iL1开始增加;当电流误差信号向下超过H时,产生的脉冲信号触发VS2和VS3导通,VS1和VS4截止,iL1开始减小,这样逆变器电流iinv始终在
H范围内变化,并同步跟踪正弦参考电流iref。
在iinv上升和下降的过程中,若始终保持H不变,则逆变
器开关频率瞬时变化,将导致滤波器设计困难。
自适应动态调整H的控制策略能保持开关频率不变,在滞环控制中引入频率反馈的准固定频率的滞环跟踪控制,也能解决固定滞环跟踪开关频率变化的问题。
图7两态滞环电流控制原理
4.2
统一电流滞环控制器设计
电流滞环控制算法[4]以其在故障条件下的快速
响应,鲁棒性和优质的电能输出而广泛应用于电力变换器的控制系统中。
电流滞环控制器通过高阶电网滤波器LCL并入电网,能有效改善总谐波畸变
率,改善注入电网的电能质量,进行有功和无功控制,具有在电网故障条件下的系统稳定性。
由于光照和温度变化会引起光伏阵列输出的直流电压波动或者负载突变,从而导致iinv变化,并使器件开关点也随之变化。
但由于电流反馈的作用,系统的响应速度得以提高。
光伏并网滞环闭环控制系统是一阶系统和无条件稳定系统,具有较高的稳定性,因此电流滞环跟踪控制非常适合并网型逆变器的控制。
图8示出所设计的MPPT控制、有源阻尼抑制谐振和电流滞环控制集成统一控制系统的原理图。
图8
集成统一的电流滞环控制系统原理图
5仿真分析
标准测试条件为:
环境温度25℃,太阳光照强度1kW/m2,空气质量1.5。
仿真选用的光伏模块电气参数为:
Isc=8.37A,Imp=7.6A,Ump=23.7V,α=
0.053,β=-0.104,Uoc=30V;CLink=300μF。
（下转第57页
基于LCL滤波的光伏并网逆变器电流滞环控制
（上接第35页滤波元件参数:
L1=L2=5mH,C=3μF;电网电压有效值Urms=220V/50Hz。
光伏逆变器并网是光伏模块通过MPPT控制实现与负载匹配的,逆变器电流经LCL滤波后为负载供电,与电网并联运行。
基于Matlab/Simulink的仿真平台[5]分别建立了光伏模块和MPPT的仿真模型、单相桥式PWM逆变器模型、LCL滤波器模型、电网模型及光伏逆变器并网运行的主电路模型,将MPPT控制算法、有源阻尼算法和电流滞环跟踪算法统一集成在反馈控制系统中,设滞环宽度为0.05。
图9a所示为并网系统电气参数不变,而温度和光照强度分别为0℃,100W/m2极端条件下的电流电压波形。
可见,在外界环境温度降低和光照减弱的情况下,由于MPPT和有源阻尼的动态调节,ig波形依然保持良好,但与ug相位差180°,此时可以在控制系统增加一个参考电流相位超前环节来解决。
图9b表明参考电流增加相位超前环节后,iinv,iref,ig,ug均具有良好的正弦波形,且ug和ig同相,并能有效地抑制LCL滤波器内在的谐振问题。
图9仿真波形6结论
研究太阳能光伏并网逆变器的关键是建立基于数学模型的光伏阵列模型,采用改进的电导增量算法实现最大功率跟踪,以电流滞环跟踪控制实现并网逆变器输出电流跟踪参考正弦电流变化,通过有源阻尼算法抑制LCL滤波的谐振,改善注入电网的电流品质,使其与电网电压同相,保持功率因数λ≈1。
所提出的基于LCL滤波器的主电路系统和集成统一的电流滞环跟踪控制系统能实时跟随外界环境参数如温度和太阳光辐射强度变化,也能根据太阳能模块生产商提供的数据手册资料,修改光伏模块的电气参数,从而最大限度地模拟光伏并网系统在外界环境变化时的动态响应和行为,为逆变器控制器的设计、滤波器参数的设计以及逆变器并网注入电网的电能质量分析提供非常重要的依据。
参考文献
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1kW,频率为50Hz。
并网电流与电网电压同相同频,功率因数接近1,达到设计效果。
图5示出实验波形。
图5实验波形
5结束语
介绍的小功率光伏并网逆变器采用改进的固定开关频率的电流控制并网方案,使输出功率因数接近1。
采用TMS320LF2407型DSP作为控制芯片,使系统具有很好的动态响应,保护完善,提高了并网效率。
设计了具有最大功率跟踪和反孤岛效应功能的软件。
实验证明该系统工作稳定可靠,性能良好。
目前,该设计已完成实验室试制和验证,若能投入企业批量生产,将为小型太阳能电源的并网发电提供有力的技术支撑,为我国的太阳能利用开辟一条新途径。
参考文献
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小功率太阳能电源逆变装置的设计
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