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摘要：能源危机和环境问题是世界各国普遍关注的话题，开发和利用可再生能源在各国能源战略中的地位越来越高。随着科学技术的发展，光伏发电已经成为一种解决未来能源短缺及环境污染的主要方式。本文介绍了光伏并网逆变器的拓扑结构，分析了逆变器的控制策略及电流控制技术。
关键词：光伏并网逆变器，控制策略，电流控制
引言
鉴于光伏发电具有间歇性和波动性的特点，随着光伏发电的应用愈来愈广泛、光伏发电并网规模愈来愈大，对电网的稳定运行也带来了愈来愈多的挑战。并网逆变器是光伏阵列与电网进行电能交互的关键部分，负责将光伏板输出的直流电逆变为符合相关并网要求的交流电并入电网，与电力系统实现安全高效、稳定灵活的互联。
本文基于二极管钳位型三电平光伏逆变器，分析了光伏并网逆变器的控制策略及电流控制技术。
1、光伏并网逆变器的拓扑结构
逆变器是光伏并网发电系统的核心部分，决定着整个并网系统的工作性能。根据光伏阵列输出功率的转换级数可将光伏并网逆变器分为单级式及两级式。单级式光伏并网逆变器是指将光伏阵列的输出直接通过光伏并网逆变器完成功率直一交的转换，并且由并网逆变器本身实现光伏阵列的最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking， MPPT），但单级式对光伏阵列输出电压大小要求较高。并网逆变器只有满足一定的启动电压才能正常工作，一般通过多块太阳能电池板串联以满足光伏并网逆变器启动工作的直流母线电压要求。两级式是在光伏逆变器前增加了一个DC/DC升压环节，用于解决单级式光伏阵列输出电压大小不满足并网逆变器直流母线电压幅值要求的问题。且一般是采用Boost升压电路，其最关键的是可以在完成升压的同时通过阻抗匹配的原理实现MPPT功能。
光伏并网主要由光伏阵列、Boost升压模块、三电平光伏并网逆变器、系统控制器、锁相环和滤波环节组成。系统工作原理：太阳能经过光伏阵列转换为直流电压，Boost升压模块将直流电压调节到逆变器直流母线电压幅值要求，从而使逆变器输出的电流满足与电网电压同频同相的要求，即将有功电流注入电网。为了降低系统输出的谐波含量，采用电感滤除IGBT自身快速开通关断带来的高频谐波。在一定的光照强度和周围环境温度下，光伏阵列只有一个工作电压点能实现最大功率输出，因此需要采用一定控制策略实现最大功率跟踪控制。
2、三电平逆变器控制策略
为了克服传统两电平逆变器拓扑结构存在的不足，本文采用二极管钳位型三电平拓扑结构。中点钳位型三电平逆变器的关键技术包括PWM调制技术以及直流侧中点电位波动的抑制。目前应用在中点钳位型三电平逆变器的调制策略主要可以分为:载波调制(SPWM)、空间矢量脉宽调制(SVPWM、特定谐波消去法(SHEPWM)等，其中SPWM调制及SVPWM调制是三电平逆变器最为常用的两种调制技术。
直流侧中点电位平衡控制是对钳位型三电平逆变器直流母线上下电容中点电压进行均压。逆变器正常工作时，要求直流侧上下电容电位保持平衡。如果直流母线中点电位发生偏移，则严重影响系统工作性能。
2.1三电平SPWM调制策略
载波SPWM控制方法在三电平逆变器中被广泛应用，它不但操作简单、易于工程实现和控制效果较好，并且可以满足中高压、大功率场合要求。三电平SPWM调制策略方法有很多，其中双载波SPWM是在三电平逆变器中应用最广泛的调制技术。双载波SPWM调制方法是在传统两电平SPWM调制方法上改进得到的，对于n电平逆变器而言，采用(n-1)个三角载波和正弦调制波进行比较，从而控制桥臂相应开关管的通断。例如对于本文的钳位型三电平逆变器而言，采用分布在调制波正负半周的两个载波与正弦调制波比较，根据两者在不同采样点的比较结果输出三种不同的电平。根据两个三角载波相位关系，可以分为载波同相调制和载波反相调制，分别如图1和2所示，但是SPWM载波调制存在直流电压利用率低的缺点。
图1三电平同相载波SPWM调制 图2三电平反相载波SPWM调制
2.2三电平SVPWM调制策略
SVPWM调制原理不同于SPWM调制原理，其调制原理是让逆变器的输出的三相电压作用于三相异步电机的定子，使电机获得理想圆形磁链轨迹。即通过控制逆变器三相桥臂每个开关周期输出的开关状态，使得基本矢量合成的旋转空间电压矢量去逼近旋转参考矢量。SVPWM调制具有输出电压波形质量高、硬件电路简单和直流电压利用率高等优点，被广泛应用到中高压、大容量变换器控制领域。因此本文采用SVPWM调制作为三电平逆变器的控制策略。
3、光伏逆变器并网电流控制技术
3.1基于PI控制的电流双闭环控制技术
dq坐标系下，基于PI电流外环控制器的电流双闭环系统结构如图3所示。电流外环通过PI控制器直接对并网电流进行控制，电流内环通过比例控制器对电容电流进行控制，以增大系统阻尼，锁相环节负责跟踪电网电压的相位信息。I*2d是有功电流参考值，由直流侧母线电压控制器提供，本文未对其进行详细介绍；I*2q是无功电流参考值，并网运行时逆变器只向电网传输有功功率，I*2q= 0。
图3基于PI控制器的电流双闭环结构
3.2基于PR控制的电流双闭环控制技术
为了克服PI控制器的缺点，可以采用PR控制器作为电流外环控制器。PR控制器能够实现在静止坐标系下直接跟踪正弦信号，因此可以直接对交流电流信号进行无误差控制。基于PR电流外环控制器的电流双闭环系统控制结构如图4所示。PR控制器可以在两相静止αβ坐标系下直接控制并网电流外环；内环依旧运用电容电流反馈的有源阻尼法以增大系统阻尼。本策略中将内环控制的比例调节器放入正向通道。
图4 基于PR控制器的电流双闭环系统控制结构
由图4能够看到，αβ坐标系下基于PR电流外环控制器的电流双闭环控制克服了PI控制器需进行复杂坐标变换和解祸的缺点，简化了系统结构，减少了系统运算量。
结语
综上所诉，采用SVPWM调制及基于PR控制的电流双闭环控制的三电平光伏并网逆变器，具有系统结构简单、输出电压波形质量高和直流电压利用率高等优点，对于光伏并网逆变器的设计具有一定的意义。
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论文作者:许艺娟
论文发表刊物:《防护工程》2019年第5期
论文发表时间:2019/6/12
标签：逆变器论文; 电平论文; 光伏论文; 电流论文; 电压论文; 载波论文; 控制器论文; 《防护工程》2019年第5期论文;