单相光伏并网逆变器控制策略研究

论文总字数：22411字

摘 要

在能源日渐紧缺、环境污染越来越严重的今天，世界各国都在积极探索可利用的新能源。太阳能作为一种可持续利用的绿色能源，受到了越来越多的关注，其中光伏并网发电是对太阳能最有效的利用之一。本文针对单相光伏并网逆变器的控制策略进行了较为深入的研究。

首先，分析了单相光伏并网逆变器的工作原理，研究了逆变器的等效电路，对比分析了不同PWM调制模式下逆变器的输出特性。在此基础上，建立了逆变器的数学模型，分析了系统被控对象的传递函数，设计了PI调节器的参数。然后，分析了锁相环的结构及工作原理，并结合基于坐标变换的方法，设计了适用于单相光伏并网逆变器的锁相环，建立Matlab/Simulink仿真模型并进行仿真验证。

最后，采用基于虚拟旋转坐标的PI控制策略，建立了单相光伏并网逆变器的数学模型，实现有功功率和无功功率的解耦控制，并优化改进了控制参数，进行了仿真分析。其仿真结果表明此设计可行，能够实现逆变电流的无静差并网控制，逆变器电流控制精度高、电流谐波含量低，工作在单位功率因数下并网发电。

关键词：单相光伏并网系统，逆变器，坐标变换，锁相环，功率调节

A STUDY ON THE CONTROL OF SINGLE-PHASE PHOTOVOLTAIC CONVERTERS

Abstract

Nowadays, the energy shortage and the environmental pollution are getting worse day by day. Available new energy is actively explored in all over the world. Solar energy as a renewable energy has received more and more attention. Photovoltaic power generation is one of the most efficient uses of solar energy. This paper carries on a more in-depth control strategy study for the single-phase photovoltaic inverter.

Firstly, operation principle of the single-phase photovoltaic inverter is analyzed in this paper. The equivalent circuit of inverter is studied. The output characteristics of the inverter at different PWM modes are comparatively analyzed. The mathematical model of the inverter is built based on above analysis. The transfer function of the system is analyzed and the PI controller parameters are designed. Then, the structure and operation principle of phase locked loop (PLL) is analyzed. The PLL for single-phase photovoltaic grid inverters is designed based on the coordinate transformation method, the feasibility of PLL is verified by the simulation using Matlab/Simulink.

Finally, a single-phase photovoltaic grid inverter mathematical model is present using a PI control strategy based on the virtual rotating coordinate transformation method, which can achieves active and reactive power decoupling control. The optimization of the control parameters is improved and the simulation is performed. The results of the simulation show that this design is feasible. It could track the current reference without steady error. The inverter output current precision is high and current harmonic is low, the system realizes the unity power factor grid-connected control through the proposed method.

KEY WORDS: single-phase PV grid-connected system, inverter, coordinate transformation, phase locked loop, power regulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 国内外的研究现状 2

1.2.1 逆变器控制策略研究现状 2

1.2.2 锁相环控制研究现状 3

1.3 本文研究的主要内容 4

第二章 单相光伏并网逆变器的工作原理 5

2.1光伏并网逆变器分类和控制目标 5

2.2单相光伏并网逆变器拓扑结构 5

2.3逆变器PWM控制方式 7

2.3.1 单极性PWM调制 7

2.3.2 双极性PWM调制 8

2.4本章小结 9

第三章 单相光伏并网逆变器控制策略建模及参数控制 11

3.1 Boost升压环节参数设计 11

3.2控制系统数学模型 12

3.3 PI调节器参数整定 13

3.4 PLL锁相环的设计 15

3.4.1锁相环的基本理论 15

3.4.2基于旋转坐标变换的锁相环的研究 17

3.5基于旋转坐标变换的单相光伏并网逆变器控制策略 18

3.6本章小结 20

第四章 仿真及结果分析 21

4.1不同调制方式控制下的单相全桥逆变电路仿真对比分析 21

4.1.1单极性PWM调制方式 21

4.1.2双极性PWM调制方式 22

4.2逆变器输出的动态性能 23

4.3 PLL锁相环仿真分析 25

4.4基于旋转坐标变换的单相光伏系统并网逆变器控制仿真分析 26

4.5本章小结 28

第五章 总结与展望 29

5.1总结 29

5.2展望 29

致谢 31

参考文献（References） 33

第一章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

人类发展进化到当今社会，对能源动力的开发利用已经达到了一个很高的水平，尤其是电能的产生和利用对人类影响极其巨大。电能作为使用最为广泛的直接能源之一，是我们日常生活不可或缺的重要部分。传统的发电方式主要以火电、水电和核电为主。然而，我们现在所面临的问题是世界上可利用的电力能源分布并不平衡，大规模的电力能源开发，虽然推动了经济的快速发展，给人们的生活带来了更多的便捷，但是也不可避免的带来了很多负面影响，比如化石能源的逐渐减少，传统方式发电造成的环境污染，核能利用潜在的安全与污染等等。

以现如今经济的发展速度，再考虑到不断增长的世界人口数量，对电力能源的需求与日俱增，长此以往下去，在不久的将来煤炭、石油、天然气等传统化石能源便会枯竭，足以见得能源紧缺问题日渐加重。为了解决这一全球性问题，太阳能的利用已受到越来越多的关注。太阳能作为一种蕴含巨大能量的可再生绿色能源，其优势和潜能也随着光伏产业的快速发展越来越明显。同时，随着光伏产业的不断快速发展，由离网到并网是光伏系统发展的必然趋势^[1]。由此可见，有效地利用太阳能并网发电是未来能源发展的一个必然发展方向。

欧洲联合研究中心（JRC）就曾对未来光伏发电的发展做出了预测，随着光伏并网发电的快速发展，太阳能发电所产生的能量将能够满足越来越多的世界能源需求，其能源量最多甚至将达到总能源量的50%以上，具体分布情况如图1-1所示。

图1-1 世界能源发展预测

拥有位居世界第三大国土面积的我国，每年可接收到的太阳能能量巨大，可达5.6*10²²焦耳，等同于1.9*10¹²吨标准煤燃烧所产生的能量。近年来，我国的光伏发电产业得到了政府的大力支持，无论是在光伏电站建设上，还是在相关法律法规的完善上，都取得了相当大的进展。越来越多的光伏发电项目被提上日程，带动了我国很多具有光照优势偏僻农村地区的经济发展，在这些地区新兴许多前景广泛的无污染产业，更是对实现可持续发展的目标有着重大意义。

然而，目前的光伏产业尚处在发展初期，仍面临着很多问题，比如系统建设成本高，发电效率低，发电系统受环境气候等外界因素影响很大，制造生产光伏电池要消耗大量的其他能源等等。除了客观困难之外，太阳能发电本身也存在着很大问题，光伏阵列所发出的电电能质量较差，而且功率不稳定，最重要的是它所发出的是直流电，很难直接运用到现在的交流系统中，传输也并不方便。

在国外，光伏并网发电也同样受到了极大关注。光伏并网发电能够保证安全，提供多元化的能源选择，提高传送效率，减少温室气体的排放，改善电能质量，提高系统稳定性，降低能源成本支出，缓解由配电线路造成的瓶颈的分布式发电（DG）系统的快速发展，如果能够将光伏并网发电系统应用到其中，将会更加提高分布式发电的经济型^[7]。

在光伏发电如此迅猛发展的形势下，逆变器作为光伏系统中的核心部分，对其控制策略的研究是探究发展光伏并网系统的关键。

1.2 国内外的研究现状

虽然光伏并网发电的优势显而易见，但是它所存在的各种问题同样不容小觑。较高的建设成本，使得光电很难在现在的电价市场中与传统发电形式和风电相抗衡，而且现在光伏发电产业发展尚未成熟。在这种艰难发展的情况下，很多发达国家有效的政策支持，积极攻克相关难题，在这方面为我国光伏发电的发展提供了很多可借鉴之处。

一般来讲，依据逆变器容量大小不同，单相光伏并网逆变器可以分为单相光伏并网逆变器和三相光伏并网逆变器两种。其中三相并网逆变器主要用于大型电站，而单相并网逆变器由于具有性能好、体积小、噪音低、功率小等优点，被广泛用于个体用户。让这种简单易用的单相光伏并网逆变器随着太阳能发电的广泛使用走进寻常百姓家，是目前各国积极研究此系统的主要目标。

光伏并网系统设计过程中，涉及到的相关电力电子技术要比离网发电更为复杂，其中包含重要的逆变器控制技术以及与此相关的其他系统优化控制技术等等。目前世界各国对光伏并网系统的研究主要集中在最大功率跟踪点技术、锁相环控制技术、并网逆变器控制技术、孤岛效应检测技术和综合各方面考虑的总体控制技术。国外一些发达国家还提出了既能并网运行又能独立运行的设计，并相继推出适用更为广泛的高性能逆变器和直流变换器。

我国许多高校、研究院、设计院、企业等也开始投入众多的人力、物力进行光伏并网发电的相关研究，推动这个发展逐步走向产业化。尽管如此，我国现有的光伏并网发电技术仍跟世界先进水平有着很大差距，逆变器功率小、稳定性差、制造水平有限等等是我国现阶段所面临的主要问题。下面对单相光伏并网的核心技术研究现状进行具体分析。

1.2.1 逆变器控制策略研究现状

光伏并网逆变器是光伏发电系统中的核心部分，因为逆变器输出的电流质量可以直接影响电网侧电能质量，并网的要求是并网逆变器输出电流与电网侧的电压保持同步，即保证它们的频率、相位都相同，还要保证并网时的功率因数为单位功率因数。因此，国内外的很多研究都是围绕着如何提高逆变器输出电流质量展开的。

在整个逆变器控制系统中，电流的控制最为关键，主要的电流控制方式有PI控制和PR控制^[3]，其中PI控制是一种比较常用的方法，系统一般采用的是电流内环与电压外环相结合的双闭环控制策略，可以到达调节并网电流和稳定直流电压的效果^[6]。还有一种通过瞬时电流偏差控制开关器件的通断进而控制逆变器系统的控制方法，被称为滞环电流控制方法，这种控制能够迅速跟踪到参考信号，但也有不足之处，就是这种控制的开关频率不容易固定。

空间矢量变换控制被广泛用于三相光伏并网系统中，一般控制流程为先将三相交流电进行坐标变换，然后由PI调节装置跟踪控制变换后得到的直流电，此时能够实现电流的无静差跟踪，以得到符合并网要求的并网电流。除此之外，还有许多学者提出了一些其他控制方法，例如Zmood D N在其研究中提出了由PI调节和R调节组成的比例谐振调节控制，这种控制实现了电流无静差控制，抗干扰能力更强，但是这种设计仅适用于正弦信号控制，因此具有很大的局限性^[9]。

在设计各种控制方法的时候，有一个不容忽视的地方是逆变器和电网之间存在的滤波电感，正是由于它的存在，使逆变器输出电流与输出电压之间产生相位差，由此便会有一部分无功输出。这一无功的输出是目前很多单相光伏并网逆变器所没有改进的地方，导致不能很好地保证并网功率因数为单位功率因数，一旦大量使用这种输出无功的逆变器，将会对电网造成极其严重的影响。因此，并网逆变器控制的目标不应只注重输出电流与电网电压的相位、频率是否相同，更要注意对功率的调节。功率调节方面的控制，在三相光伏并网系统中已得到较为深入的研究，但是在单相光伏并网系统中，对带有无功补偿功能的逆变器研究仍处于初级阶段，还需要进一步通过各方面进行探索优化，以建立一个完整可行的单相光伏并网逆变器控制系统。

1.2.2 锁相环控制研究现状

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