当前位置:首页 >> 能源/化工 >>

光伏并网逆变器控制策略的仿真与试验研究


Vol.30

No.10

2010.10

船电技术|控制技术

光伏并网逆变器控制策略的仿真与试验研究
张浩


刘文达

蒋炜

(中国船舶重工集团公司七一二研究所,武汉 430064) 要:光伏并网逆变器作为光

伏并网发电系统与电网接口的主要设备,其控制技术已成为研究的热点。

本文简要介绍了光伏并网逆变器系统的结构和工作原理,重点分析了其并网工况的控制方案设计及其电流 调节器的实现过程。最后,在MATLAB/SIMULINK环境下进行了系统的建模与仿真,仿真结果表明输出并 网电流波形良好、和电网电压同频同相。 关键词:并网逆变器 中图分类号:TM464 电流跟踪控制 闭环控制 电流调节器 文献分类号:1003-4862(2010)010-0043-04

文献标识码:A

Simulation and Experiment of Control Technology for Photovoltaic Generation Grid-connected Inverter
Zhang Hao,Liu Wenda,Jiang Wei
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC, Wuhan 430064, China)

Abstract: The grid-connected inverters control technology becomes a research hotspot, because the inverter is an important equipment, which connects the photovoltaic grid-connected system and the grid. At first, the structure and the principle of the photovoltaic grid-connected system are introduced in brief, then the control scheme and its current regulator implementation are analyzed in detail. Finally , the modeling and the simulation of the system based on MATLAB/SIMULINK environment are presented and the experiment verifies that the output wave of gird-connected current is better, and has the same frequency and phase as utility grid. Key words: grid-connected inverter; current tracking control; closed loop control; current regulator; 电送入电网 [1]。 光伏并网发电系统的核心是并网逆变器,其 控制系统的好坏直接影响整个系统的性能。为了 达到并网逆变器输出电流的幅值与相位可控并可 快速跟随电网电压实现能量回馈的目的,一般采 用电流内环及电压外环的双闭环控制结构,其中 电压外环用于控制逆变器的输出电压, 电流内环 实现网侧电流的波形和相位控制,电流内环的动 态性能直接影响电压外环的控制性能和稳定性。 因此,本文通过在同步坐标系中将三相交流电流 分解变换成直流量,分别对有功电流和无功电流 控制的基础上,采用基于空间矢量的调制方式控 制并网电流,相对与采用滞环控制方式具有实时 控制、电流响应快、输出电压电流波形不含特定 次谐波等优点,且功率器件的开关频率固定的优 43

1

引言
当前,随着石油能源的高度消耗,能源危机

愈来愈盛,同时石化能源的开采、运输和利用对 环境的影响和破坏也不容忽视。世界上主要发达 国家都开始重视可再生能源的利用和研究。所有 再生能源中,光伏发电是利用最灵活、最可行的 一种能源。因此,在我国政府的高度重视下太阳 能光伏并网发电也被列入了重点扶持的范围。光 伏并网发电是利用太阳能发电的一种有效方式, 光伏并网发电系统需要采用并网逆变器作为电能 转换装置将光伏阵列所输出的直流电变换成交流
——————————— 收稿日期:2010-06-12 作者简介:张浩(1981-) ,男,硕士,研究方向:舰船 综合电力推进系统。

船电技术|控制技术
V5 V3
V1

Vol.30

No.10

2010.10

+
光伏电池 220 V~400 V

ica

L L

R
R R

eab eca

公用电网 380V f=50Hz
AC AC AC

C V4 V6 V2
A/D

icb L
i cc

A/D

A/D

A/D

输出变压 器 95/380V

A/D

A/D U*ref

MPPT

+
PI PI

PI

i*

ABC/dq0

wt

PLL

Sa
S(V1~6) SVPWM 调制

+
dq0/AB C

+
0

Sb Sc

图 1 三相 VSR p-q 解耦矢量控制法结构框图

点。控制框图如图 1 所示 。

[2]

B

q

2

光伏并网系统原理
系统的基本控制过程如下:首先,控制系统
θ

ω

A

将采集到的并网逆变器输出三相电流 ica、icb、icc 经过 Clark 变换和 Park 变换后,分解为有功电流 量和无功电流量,再与指令电流比较后经过 PI 电流调节器后生成新的逆变器控制指令;由于并 网逆变器通常需要控制为单位功率因数运行,因 此, 令无功电流为零, 而有功电流的指令由 MPPT 控制器给出。为使并网系统的有功功率输出达到 最大,须采用锁相技术控制输出电流的频率和相 位与电网电压严格同步,此时采集电网电压 eca、 ecb、 cc, e 利用式(1)将所测得的电网电压进行变换, 然后采用相应算法利用反正切函数求得电网矢量 电压旋转角度 θ,θ 角为同步旋转 d-q 坐标系下 q 轴与电网 A 相坐标轴之间的角度。见图 2 。 ?eα ? ?2 3 ? 1 / 3 ? 1 3? ?eca ? ?e ? = ?0 1 / 3 ? 1 3 ? ? e ? ? β? ? ? ? cb ? ? e0 ? ? 1 3 1 3 1 3 ? ?ecc ? ? ? ? ?? ? (1) 在静止三相 ABC 坐标系下,三相电流并网 状态方程可由下式(2)来描述:
[3]
C d

图 2 静止 ABC 与同步旋转 d-q 坐标系间的变换

式中忽略电感内阻 R。 为了实现有功电流和无功电流分别控制的目 的,将基于静止 ABC 坐标系的并网方程(2)变 化为同步 d-q 坐标系下的状态方程(3) 。这样所 有的交流量变换为直流量, 有利于 PI 电流调节器 对并网电流进行闭环控制。

d ?id ? ? 0 ω ? ?id ? 1 ?ed ? 1 ?ecd ? ? ?= ? ? + ? ? ? ? ? (3) dt ? iq ? ? ?ω 0 ? ? iq ? L ? eq ? L ? ecq ? ? ?
式中,下标 d、q 代表 d-q 轴参数量;ω 为电网基 波电压旋转角度。 假设三相电网电压为不含任何谐波的正弦分 量,应用 Park 变换可得 d-q 坐标系下 [4]:

?ica ? ? eA ? ? eca ? d ? ? 1? ? ? ? icb = eB ? ecb dt ? ? L ? ? ? ? ? icc ? ?eC ? ? ecc ? ? ? ? ? ? ?
44

(2)

?U cd = V ? ?U cq = 0

(4)

Vol.30

No.10

2010.10 馈滤波时间常数。

船电技术|控制技术
加入电流调节器后的 PI 校正环后, 可以推导 得电流环开环的传递函数为:
s + 1) KK f K il / R K il G ' p (s) = s (1 + τ a s )[(1 + (τ S + τ f ) s ] ( Ki p

式中,V 为电网每相电压的峰值。 再根据三角函数的关系,在同步旋转 d-q 坐 标系下,三相光伏并网系统输送到电网的有功和 无功功率为:

? ?P = ? ?Q = ?

3 (U cd id + U cq iq ) 2 3 (U cd iq + U cq id ) 2

( 9)

(5)

考虑到电流内环需要有较快的电流跟踪特 性,按典型 I 型系统设计,消去一对零极点,得 出 PI 电流调节器应满足 [8]: (6)

再结合上式(2-4)可得:
3 3 ? ? P = 2 U cd i d = 2 i d V ? 3 3 ?Q = U cd i q = i qV 2 2 ?

K ip / K il = τ a

( 10)

将式( 10 )代入式( 9 )得到校正为典型 I 型系统的电流开环传递函数形式:
G ' p ( s) = KK f K il / R s[(1 + (τ S + τ f ) s ]

根据上式(6)可知,光伏并网系统输出到电 网的有功功率依据 d 轴电流 id 进行调节,输送到 电网的无功功率依据 q 轴电流 iq 调节。因此在同 步旋转坐标系下通过对 d-q 轴电流分别控制就可 以实现光伏并网系统输送到电网的有功和无功的 解耦控制并且可通过控制 d 轴 id 电流,调节光伏 阵列输出电压实现光伏并网系统的转换效率,间 接提高了系统的经济效益,同时控制 q 轴电流 iq 为 0,可以使光伏阵列通过电压源型逆变器输出 并网电流完全与市电电压相位相同,功率因数为 1 。
[5]

( 11)

4

仿真验证与比较
为了论证光伏并网控制策略的合理性, 10 为

kW 工 程 样 机 的 调 试 提 供 理 论 依 据 , 我 们 以 MATLAB7.1 仿真软件为平台在 SIMULINK 中进
行了原理仿真验证。仿真系统设定:光伏电池额 定直流电压 Udc=400 V,直流母线电容 C=13400

μF,输出电抗器 L=10 mH,输出变压器为 Y/Δ 结
构、变比 380/95,电网电压 U=380 V,频率 f=50

3

电流调节器的设计
光伏并网逆变器的控制目标是实现输出电流

Hz,仿真步长 1e-3。
假设并网逆变器正常工作时电网相电压峰值

对公用电网电压波形快速准确跟踪,为了获得期 望的稳态和动态性能指标,光伏并网逆变器的电 流调节器需要具有很好的随动性能,快速的跟踪 电流控制环的给定信号。本文根据调节器设计特 性选择典型 I 型系统设计内环 PI 电流调节器 。 在时域内 PI 调节器的传递函数为:
[6]

311 V;外环 MPPT 给定电流有效值为 70 A。并
网时的输出电流和电网电压波形如图 3 所示。 通过分析光伏并网逆变器的仿真结果,如图

4 所示,可以知道:通过双闭环控制,交流侧的
输出电流接近理想的正弦波, 交流侧电流 (方向为 从逆变器往电网方向看 )与电网电压同相, 输出谐 波 THD 值含量为 3.02%,低于 5%的国家标准, 达到了单位功率因数运行。
300 300 200 200 100 100 0 0 -100 -100 -200 -200 -300 -300
a t l o V

GC ( s ) = ( K ip S + K il ) / S
式中 : Kip 为比例系数, Kil 为积分系数,

( 7)

由图 1 可推导得,并网逆变器电流控制环的
电压/电流

开环传递函数为 [7]:

G p ( s) =

KK f / R (1 + τ a s ) + (1 + τ S s ) + (1 + τ f s )

t n e r r u C / e g

( 8)

0

0

0.02

0.02

0.04

0.04

式中 : K 为逆变桥放大系数, Kf 为电流反馈系数,

0.06 0.08 时间(t)
Time/t

0.06

0.08

0.1

0.1

0.12

0.12

τa 为输出滤波器时间常数, S 为开关周期, f 为反 τ τ

图 3 并网时的输出电流和电网电压波形图

45

船电技术|控制技术
200 200 100 100 00 -100 -100 -200 -200 0 0 10 10 88 66 44 22 00 Selected signal: 6 cycles

Vol.30

No.10

2010.10

参考文献:
[1] 张崇巍等. PWM 整流器及其控制. 北京: 机械工业 出版社[M], 2000. [2] [3] 陈 坚 . 电 力 电 子 学 [M]. 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 , 2002. 周德佳, 赵争鸣等. 具有最大功率跟踪算法的光伏 并 网 控 制 系 统 及 其 实 现 [J]. 中 国 电 机 工 程 学 报 , 2008(11), 94-100.

0.02 0.02

0.06 0.08 0.1 0.06(s) 0.08 0.1 Time Fundamental (50Hz) = 102.5 , THD= 3.02% 时间(s)

0.04 0.04

0.12 0.12

15 20 10 15 20 谐波 图 4 并网时的输出电流的谐波分析图 0 5 10 Harmonic order

0

5

[4] [5]

朱炜锋, 窦伟等. 基于 PI 控制的三相光伏并网逆变 器电流控制器设计[J]. 可再生能源, 2009(2), 52-58. 许颇, 张崇巍等. 三相光伏并网逆变器控制及其反 孤 岛 效 应 [J]. 合 肥 工 业 大 学 学 报 , 2006(9), 1139-1143.

5

结束语
本文通过对 10 kW 光伏并网系统进行了建模

和仿真,并在仿真结果的指导下进行了相应的试 验研究。试验结果表明,试验与仿真结果基本吻 合,从而验证了基于 SVPWM 的双闭环控制方法 动态响应速度块,输出电流谐波含量低,功率因 数高,可以实现无静差跟踪,不会对电网产生 “污 染 ”,做到了经济、环保、节能,具有良好的经济 效益和社会效益。

[6]

张兴, 张崇巍等. 采用电流寻优的 MPPT 光伏阵列 并 网 逆 变 器 的 研 究 [J]. 太 阳 能 学 报 , 2001(3), 306-310.

[7] [8]

郑诗程, 夏伟. 三相光伏并网系统的控制策略研究 [J]. 电力电子, 2007(3), 43-46. 王飞, 余世杰等. 太阳能光伏并网发电系统的研究 [J]. 电工技术学报, 2005(5), 72-74.

≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈

[海装动态]
? 通用公司再次为美国海军提供 LM2500 用燃气轮机数字式燃油控制系统
[法国航宇防务网 2010 年 5 月 4 日报道 ]
通 除了用于巡洋舰和高速艇,新 LM2500 燃气 轮机也用于各种民用项目中。 数字式燃油控制系统的优点包括: 通过可调定子叶片( VSV)的油致动和燃油 计量阀,改进了发动机耐燃油污染性。 通过电子反馈和闭路控制达到更精确的燃油

用( GE )公司将再次为美国海军四艘舰船上的

LM2500 舰用燃气轮机提供 16 套数字式燃油控制
( DFC)系统。数字式燃油控制系统的维护成本 更低,可靠性更高,系统响应更快。 数字式燃油控制系统是 GE 公司最先进的

/空气配比。此外,可以通过控制软件接口重新校
准燃油特性和可调定子叶片的位置。 燃气轮机控制传感器的冗余配置有:压气机 出口压力、压气机进口温度和压力、燃气发生器 速度、可调定子叶片位置和燃油计量阀位置的。 借助于额外的电力传感器和致动器反馈,改 进操作人员信号、报警和查找工作并排除故障。

LM 燃 气 轮 机 控 制 器 , 该 技 术 现 已 经 成 为 新 LM2500 和 LM2500+ 燃气轮机的标准配备。原 LM2500 采用液压机械控制系统。
截至本次合同,美国海军 19 艘舰船总共 76 台燃气轮机已经或即将改造最新的 LM2500 数字 式燃油控制系统。在 DDG-51 驱逐舰和 CG-47 巡 洋舰已改造的 LM2500 燃气轮机上,数字式燃油 安 控制系统累积运行时间已经接近 180000 小时。 装数字式燃油控制系统成为美国海军舰船系统现 代化项目的一部份。

GE 公司的数字式燃油控制系统提高了数据采集
和状态监控的能力。 数字式燃油控制系统主要部件包括 1 个燃油 计量阀和 2 个可调定子叶片执行器,两者都具有 冗余配置的电子反馈。数字式燃油控制系统要求 升级燃气轮机控制器和修改船上配线。

46


相关文章:
基于分布式电源并网逆变器控制策略与仿真研究
基于分布式电源并网逆变器控制策略与仿真研究_信息与通信_工程科技_专业资料。找电源...改进 MPPT 算法基本思想是: (1)利用过山车法,即先将光伏电池阵列两端电压 U1...
光伏并网逆变器的分析与研究
对并网逆变器主 电路拓扑、控制策略、最大功率点...Simulink 仿真 I 光伏并网逆变器的分析与研究 ...在现场试验条件下,太阳能光伏阵列的输出功率要普遍...
三相并网逆变器控制策略的研究
三相并网逆变器控制策略的研究 【摘要】 本文主要研究了三相并网逆变器的数学模型,进而分析了三相并网 逆变器控制的具体策略, 并进行了仿真试验,以期可以真正有效的...
太阳能光伏并网逆变仿真毕业论文
太阳能光伏并网逆变仿真毕业论文_工学_高等教育_教育专区。基于Matlab的三相并网光伏发电系统,实现了在系统电压出现阶跃激增或突降的时候,系统能保持良好的鲁棒性,电流...
光伏并网逆变器限功率控制策略研究
光伏并网逆变器限功率控制策略研究_电力/水利_工程科技...本文以电力电子仿真软件 MATLAB/SIMULINK 为平台, 在...如浙江省电力试验研究 院设计的浙江东福山岛风光柴海...
Z源光伏并网逆变器控制策略研究
Z 源光伏并网逆变器控制策略研究 摘要: 针对全桥逆变器存在死区及电流输出波形畸变等问题,引入 Z 源网络,设计了具有 升压或降压功能、用于输入电压变化范围宽的...
光伏并网逆变器控制方法研究(小论文)
发电系统为例,对光伏并网发电系统的核心——并 网逆变器,进行控制策略的研究。...本文以图 5.1 所示的逆变控制仿真模型为基础,对数字化控制方式中的电流滞环...
光伏并网逆变器限功率控制策略研究
光伏并网逆变器限功率控制策略研究_电力/水利_工程科技...利用 MATLAB/SIMULINK 软件搭建了光伏发电系统的仿真...如浙江省电力试验研究 院设计的浙江东福山岛风光柴海水...
光伏并网逆变器PR控制方法研究
光伏并网逆变器PR控制方法研究_专业资料。光伏并网逆变器 PR 控制方法研究 中图分类号:th 识码:a (2012)12-0209-01 摘要:传统 pi 瞬时值控制具有结构简单、...
LCL型光伏并网逆变器控制方法研究
最后,对多级非隔离 LCL 型三相光伏并网逆变器进行了仿真分析,并研制了 一台 30kW 的实验样机。仿真和实验结果表明本文所研究的控制策略能够使光伏 阵列快速工作在...
更多相关标签: