1 引言

进入21世纪，全球经济增长引发的能源消耗达到了前所未有的程度。常规化石燃料能源不仅在满足人类社会发展上已经捉襟见肘，而且因化石燃料过度消耗引起的全球变暖以及生态环境恶化给人类带来了更大的生存威胁。目前，光伏发电在全球新能源和绿色能源发展中独占鳌头，成为最亮点之一。光伏发电控制系统与电网系统不同的连接形式，通常将其分为：离网式和并网式两种。并网式光伏发电方式是全球光伏发电系统的首选。并网式光伏发电控制系统可以按级数将其分为单级式光伏并网和两级式光伏并网。单级式光伏并网发电控制系统是靠电感实现升压，系统的升压范围有限，因此能传输的功率也相对是有限的。两级式光伏并网发电控制系统为前级DC/DC升压部分和后级DC/AC逆变部分，该系统克服了单级式能量变换遗留的问题，在实现最大功率点跟踪的同时，也确保了并网逆变器的输出电流快速、稳定地并入电力网。

本文设计了两级式光伏并网控制系统，对最大功率点跟踪算法（MPPT）、并网控制策略和低电压穿越等关键技术作了分析研究，最后设计了系统样机并进行了仿真和试验^[1-3]。

2 并网主电路设计及其控制策略

并网逆变器主要由光伏阵列、Boost升压电路、直流母线电容、T型三电平PWM逆变器以及输出滤波电感组成，其拓扑结构如图1所示。

                                 图1 并网逆变器拓扑结构                               

并网逆变器存在两个功率变换单元，因此光伏电池的MPPT追踪既可以通过前级Boost电路完成，也可以通过后级网侧逆变器完成。本文使用的是前级Boost实现MPPT追踪，后级网侧变换器完成母线电压稳定和并网控制，可以消除直流母线电压波形问题。前后两级变换器具有相对独立的控制目标和功能，这样便于系统的模块化设计和系统集成。

2.1 Boost电路实现MPPT控制策略

常用MPPT算法有扰动观察法(P&O)和电导增量法（INC）。扰动观察法目前最常用的方法之一，其控制思想是周期性给光伏电池输出电压加扰动量，来改变光伏电池的输出功率。该算法较简单，硬件实现也很容易，但是随着外部环境的剧烈变化，会影响MPPT跟踪的响应速度，在运行时还有失序的现象发生出现MPPT“误判”。电导增量法从光伏电池输出功率随输出电压变化率规律出发，推导出系统工作点位于最大功率点时的电导和电导变化率之间的关系，进而提出相应的MPPT算法。电导增量法MPPT的控制稳定度高，当外部环境参数变换时，系统能平稳地跟踪其变化，且与光伏电池的特性及参数无关。然而，电导增量法算法复杂，对传感器精度要求较高^[4-8]。

通过P&O和INC进行分析和比较，针对各自的缺点，本文采用了P&O的改进算法—三点法。三点法与PQ法相比增加了一个功率扰动点，即三点：当前工作点A，B点、C点。对于C点可以向B点正方向扰动一个步长或向B反方向扰动两个步长。通过测得P_A、P_B、P_C功率值进行比较判断确定扰动方向，定义：P_C>P_B时记为“+”，P_B>P_A时记为“+”，反之均记为“”。如图2所示当P_C>P_B>P_A，两次比较都为“+”说明扰动方向正确，下次以C点电压为基准点继续增大电压扰动；当P_C

（a）P_C>P_B>P_A

（b）P_C

（c）P_C

图2 A、B、C三点几种位置关系

当光伏阵列被云层遮挡时，光伏强度下降，此时可能出现P_C

图3为Boost变换器控制框图，Boost变换器根据光伏电池阵列输出电压和电流的检测，通过MPPT算法得到调节光伏阵列工作点的电压指令U_ref，然后将光伏阵列输出电压的采样值U_pv与U_ref相减，并通过PI调节器以Boost变换器的输入电压闭环控制，从而实现光伏电池的MPPT控制。由于Boost变换器的输出功率会因为环境的变化而不断变化，为了确保Boost变换器的功率即时传递到电网而不在直流母线上产生能量堆积和亏欠，要求后级网侧变换器直流电压外环的控制响应快于前级Boost变换器的MPPT控制响应，采用直流母线上下限电压的截止负反馈来防止直流母线出现过电压现象。

图4 Boost控制框图

基于MATLAB平台搭建了基于Boost变换器的MPPT仿真模型。仿真参数如下：光伏阵列开路电压U_oc=22V，短路电流I_sc=8.58A，U_m=17.7V，I_m=8.47A，P_m=140W,升压电感L=1mH，开关频率f=2kHz。图4和图5为两种MPPT算法最大功率追踪仿真结果，从图可以看出两种算法都能追踪到最大功率。P&O开始追踪时振荡厉害，稳态时，功率有波动；三点法开始功率追踪时，功率振荡小，追踪速度快于P&O，稳态时功率几乎没有波动。

 

图4 P&O追踪功率

 

图5 三点法追踪功率

图6和图7为光照强度1000W/m²提高到1500W/m²的仿真结果。

 

图6 P&O法PV输出功率

 

图7 三点法PV输出功率

从仿真图形可以看出0.2s时，P&O追踪功率降低，出现误判现象，最大功率有波动；而三点法追踪功率直接增加，没有出现误判现象，最大功率点平稳。结果表明采用三点法可以有效避免功率误判和振荡现象。

2.2 逆变器的并网控制

后级并网变换器有两个基本控制要求：一是要保持前后级之间的直流侧电压稳定；二是要实现并网电流控制，根据指令进行电网的无功调节。本文逆变器采用T型三电平结构，电压外环和电流内环的双闭环PI电流解耦控制形式。

图8 并网逆变器控制系统结构

如图8，直流电压外环的作用是稳定直流侧的电压，以减少直流侧电压波动对并网电流的影响。通过引入直流电压反馈的PI调节器可实现直流电压的无静差控制。直流电压外环PI调节器的输出量为有功电流内环的电流参考值i_d^*，从而对并网逆变器输出的有功功率进行调节。无功电流内环的电流参考值i_q^*则是根据需要向电网输送的无功功率参考值q^*而得。当令i_q^*=0时，即可实现并网逆变器运行在单位功率因数状态，即仅向电网输入有功功率；当电网出现跌落时，逆变器需要向电网提供无功支撑，可以根据电网跌落情况计算出无功补偿量i_q^*，即逆变器向电网输送无功功率支撑。

2.3 低电压穿越技术

当电网电压跌落时，并网逆变器的运行参数将发生变化，造成母线电压高于额定电压，会损坏电容和功率器件，甚至造成整个并网发电系统瘫痪。本文并网逆变器中，MPPT和并网独立控制，因此可以通过前级Boost电路对光伏阵列输出功率进行限制，保证直流电压稳定^[9-10]。

由于本文采取基于PI电流解耦控制并网逆变器，能够实现有功与无功的独立调节。因此在电网电压跌落时，使并网逆变器运行在静止无功补偿模式，依据电网电压跌落的深度决定发出无功电流的大小。通过快速提供无功电流来稳定电网电压，实现光伏发电系统的低电压穿越功能。

当电网电压正常时，并网逆变器无功电流给定为0，运行在单位功率因数状态，只向电网输送有功功率。当电网电压发生跌落时，并网逆变器判断e_d的大小计算出跌落深度，然后根据下式计算得到有功电流给定和无功电流给定。

                                                             

式中K=2。最大无功补偿系数为1，输出电流限幅为1.5I_N。

根据逆变器发出的有功功率对前级MPPT进行限功率，当电网跌落到一定限值时，停止MPPT工作，即使光伏阵列工作在开路电压，光伏阵列输出功率为0，从而避免母线电压升高，使逆变器顺利通过低电压穿越。

3 样机设计

控制系统以TMS320F28335为核心，CPLD为辅助芯片，驱动电路，采样调理电路，以及LCD触摸屏。驱动电路用于IGBT的驱动控制；采样调理电路负责将输入输出的电压，电流进行调理，变换至适合DSP处理的范围0V~3V；LCD触摸屏负责人机交换。系统的功率部分由两路光伏阵列，直流滤波电路，Boost电路，逆变主电路，交流滤波电路组成。逆变主电路拓扑采用T型三电平结构。系统结构框图如图9所示。首先采集光伏阵列输出电压、电流、并网电压电流等数据，并其送入DSP控制板，然后根据PWM驱动信号控制主电路的运行，再将输出的交流电流经过交流EMI滤波器滤波，最后并入电网。逆变器设计指标如附表所示。

附表  逆变器设计指标                                                                                                  

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       

设计指标参数	参数值
直流输入电压	250~800V
最大输入电流	40A（每路50Hz 20A）
额定输出功率	15KW
允许电网电压范围	310～480V，额定380V
并网电流THD	<5%
功率因数	>98%

                                                                                                                                         

                                               图9 系统总体结构

实验采用Chroma直流源模拟光伏电池和观测实验波形。对扰动观察法和三点法进行静态和动态实验对比分析。MPPT扰动观测法静态追踪实验波形如图10所示。MPPT三点法静态追踪实验波形如图11所示。

图10 MPPT扰动观测法静态追踪实验波形

 

                            图11 MPPT三点法静态追踪实验波形   

光伏电池参数设置为开路电压U_OC=500V，短路电流I_SC=11A，最大功率点的电压U_mpp=400V，电流I_mpp=10A，实验结果如图所示。由图10和图11可知，两种方法在静态条件下都能很好的追踪到最大功率。扰动观测法追踪到最大功率用时400ms，光伏电池输出的电压电流有波动；三点法追踪到最大功率用时200ms，且光伏电池输出电压电流稳定。

 

图12  EN50530测试标准

动态测试实验是为了测试外界环境变化时光伏逆变器追踪最大功率点的速率。测试引入EN50530测试标准，如图12所示。图13和图14分别为扰动观察法和三点法在扰动时间为500ms，30%~100%的参考光照下，变化速率为100w/m²的情况下的效率测试结果。当光照强度变化时，扰动观察法光伏电池输出电压电流波动大，出现误判现象，功率追踪速度慢；三点法光伏电池输出电流能快速跟踪光照变化且平稳，动态效率比扰动观察法有较大的提高。

图13 MPPT扰动观测法动态追踪实验波形

 

                    图14 MPPT三点法静态追踪实验波形

图15为A相电网电压与A相并网电流，从图中可以看出并网电流正弦度好，与电网电压同频同相，实现单位功率因数并网，幅值为21.6A，逆变器运行在满功率（15kW）状态。由功率分析仪PZ4000可得电流畸变率为2.7%。

图15 A相电网电压与A相并网电流

电网跌落至额定电压20%，跌落时间为200ms，实验波形如图16所示。由图16逆变器正常运行时，电压和电流同频同相；当电网电压由220V降到44V时，逆变器开始向电网发送无功，此时电压和电流不同相，存在相位差，并网电流增加；由图17可以看出，200ms后电网电压恢复到220V，此时逆变器从发生无功状态切换至正常运行状态，以单位功率因数并网运行。

图16 LVRT电压跌落瞬间波形

图17 LVRT电网回恢复时波形

4 结束语

本文设计了两级式光伏并网控制系统，并搭建实验样机。仿真和实验对PQ法和三点法进行静态和动态跟踪比较，结果验证了所提三点法能够克服功率振荡和误判现象；无功电流支撑控制策略验证了电压跌落时避免母线电压升高，使逆变器顺利通过低电压穿越，电网电压恢复后，逆变器从发生无功状态切换至正常运行状态，以单位功率因数并网运行。

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基金项目：泰州市科技支撑计划（社会发展）项目（SSF20170124）

作者简介：

王珏（1987—） 硕士 讲师 主要研究方向为电力电子与电气传动技术

 

 

 

 

 

 

Email：19870312wj@163.com

窦爱玉(1988—)，硕士，讲师，主要研究方向电磁兼容研究。