數(shù)字控制的非理想因素對并網(wǎng)光伏逆變器運(yùn)行特性影響與優(yōu)化方法.pdf

1、光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)太陽能向可用電能轉(zhuǎn)換的綠色橋梁，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)在正在向大批量生產(chǎn)和規(guī)模應(yīng)用發(fā)展。光伏電池非線性特性對并網(wǎng)逆變系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響也受到越來越多的重視，特別是單級式光伏逆變系統(tǒng)中采用常規(guī)最大功率追蹤（MPPT）算法還會存在直流電壓迅速跌落失穩(wěn)的問題。光伏電池能效問題也一直是研究的熱點(diǎn)，低成本的適應(yīng)多變環(huán)境的高效最大功率追蹤方法一直是光伏發(fā)電系統(tǒng)追求的目標(biāo)。同時(shí)隨著單片機(jī)、DSP等產(chǎn)品開發(fā)的日趨成熟，數(shù)字化控制逐漸成為

2、光伏逆變系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用的趨勢。然而數(shù)字控制也給光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)帶來了不少問題，例如數(shù)字采樣引入頻率混疊效應(yīng)，會惡化逆變器輸出電能質(zhì)量；數(shù)字延時(shí)對采用不同控制方案的逆變系統(tǒng)的穩(wěn)定性也帶來不同的影響，特別是LCL濾波器的逆變系統(tǒng)穩(wěn)定特性和控制性能在數(shù)字控制下會表現(xiàn)出新的特性；此外當(dāng)電網(wǎng)非理想時(shí)，并網(wǎng)鎖相環(huán)節(jié)也會引入與電網(wǎng)背景諧波相應(yīng)的諧波分量，并衍生出一些新的諧波量，即產(chǎn)生所謂的諧波衍生現(xiàn)象。本文擬按照理論探索、數(shù)學(xué)建模、原理剖析、方案設(shè)計(jì)、

3、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的一套科學(xué)方法，對數(shù)字控制光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的這些關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行系統(tǒng)的研究和探索。
　　光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)最特殊之處在于其直流源為光伏電池，光伏電池輸出特性呈現(xiàn)非線性，并且隨著溫度、光照強(qiáng)度以及陰影覆蓋等外部環(huán)境因素的變化，其輸出特性也會發(fā)生顯著變化。這樣的直流源特性會直接對光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)直流側(cè)穩(wěn)定性造成顯著影響，常規(guī)的逆變器建模方法不能很好的分析光伏源對逆變器的影響。本文建立了光伏源和逆變器的等效電路模型，將一個(gè)復(fù)雜的

4、光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)等效為基本電路元件組成的電源網(wǎng)絡(luò)，從而方便對系統(tǒng)進(jìn)行等效分析和快速的仿真模擬。基于此模型清晰地揭示了光伏系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)（MPP）左側(cè)時(shí)會出現(xiàn)低阻尼特性，使逆變器容易出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。進(jìn)一步基于此等效模型，提出了一種在MPP左側(cè)也能無振蕩穩(wěn)定工作的直流電壓環(huán)設(shè)計(jì)方案，保證光伏并網(wǎng)逆變器在全工作范圍內(nèi)獲得足夠的阻尼，可以有效解決單級式并網(wǎng)逆變器的直流電壓失穩(wěn)問題。
　　單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)運(yùn)行在MPP左側(cè)時(shí)穩(wěn)定

5、性降低的特性表現(xiàn)尤為明顯，其特征為母線電壓迅速跌落。本文分析了單級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中直流電壓失穩(wěn)的特殊現(xiàn)象，根據(jù)母線電壓失穩(wěn)與最大功率匹配之間的對應(yīng)關(guān)系，提出了一種只需要直流電壓采樣且適應(yīng)局部陰影條件的MPPT算法。該算法通過判斷母線電壓是否迅速跌落失穩(wěn)來鑒別最大功率點(diǎn)，具有單一測量、實(shí)現(xiàn)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)局部陰影條件等優(yōu)勢。最后在自行研制的一套630kW光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)上驗(yàn)證了該算法的有效性和優(yōu)越性，該算法在直流電流存在極大紋波以

6、及光伏電池輸出曲線為多峰曲線條件下，依然可以準(zhǔn)確追蹤到最大功率點(diǎn)。
　　并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中，LCL濾波器相比單電感濾波器具有更優(yōu)的濾波性能，然而引入了諧振點(diǎn)，降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性。本文揭示了存在數(shù)字延時(shí)條件下LCL型并網(wǎng)逆變器網(wǎng)側(cè)電流單環(huán)控制的致穩(wěn)特性，以及逆變側(cè)電流單環(huán)控制的穩(wěn)定性惡化現(xiàn)象，并分別提出了一種基于優(yōu)化控制延時(shí)的網(wǎng)側(cè)電流單環(huán)控制方案和基于電容電壓前饋的逆變側(cè)電流控制方案。在不增加額外無源阻尼和傳感器的基礎(chǔ)上，網(wǎng)側(cè)電流單環(huán)控制

7、策略利用數(shù)字控制過程中的延時(shí)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。并給出了延時(shí)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)良好的并網(wǎng)諧波特性和動態(tài)特性，最后在自行研制的5kW單相并網(wǎng)逆變器上通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的有效性，采用優(yōu)化的數(shù)字延時(shí)控制后，并網(wǎng)電流THD為2.17％，負(fù)載從30％突加至100％調(diào)節(jié)時(shí)間小于4ms?；陔娙蓦妷呵梆伒哪孀儌?cè)電流控制方案，采用電容電壓前饋使系統(tǒng)降階，從而有效的改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)分析了延時(shí)和前饋系數(shù)對電容電壓前饋效果的影響。所提控

8、制方案的有效性在自行研制的630kW三相逆變器上得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　數(shù)字采樣過程會帶來頻率混疊現(xiàn)象，由于數(shù)字控制逆變器采樣頻率一般等于開關(guān)頻率，因而采樣頻率等于或低于采樣信號帶寬，這就不可避免的帶來頻率混疊問題，頻率混疊現(xiàn)象會惡化系統(tǒng)的輸出電能質(zhì)量。本文重點(diǎn)分析了采樣信號中混疊成分（混疊信號）與原始信號頻率、幅值和相角的關(guān)系，揭示了頻率混疊在逆變器數(shù)字控制中造成穩(wěn)態(tài)誤差和低頻諧波擾動的機(jī)理，并分析了采樣濾波、AD轉(zhuǎn)換時(shí)間以及控制

9、算法時(shí)間對混疊現(xiàn)象的影響。在上述定量分析的基礎(chǔ)上，本文提出了選擇性延時(shí)采樣和互補(bǔ)采樣方案抑制系統(tǒng)中產(chǎn)生的混疊信號。這兩種算法引入的數(shù)字延時(shí)均不超過半個(gè)開關(guān)周期，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)低通濾波器帶來的延時(shí)影響。最后在自行研制的5kW單相光伏逆變器平臺上通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這兩種方案的有效性，采用混疊抑制算法后，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差從2.53％降低至0.07％，三次諧波從2.97％減小到1.12％，總的THD從3.77％減小到2.32％。
　　并網(wǎng)控制中鎖相

10、是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成功并網(wǎng)的前提條件，鎖相結(jié)果的準(zhǔn)確性和快速性都會影響并網(wǎng)電能質(zhì)量。然而許多文獻(xiàn)在分析并網(wǎng)控制時(shí)，假設(shè)鎖相是理想的，忽略了鎖相環(huán)對并網(wǎng)控制本身的影響。本文建立了一種結(jié)合鎖相控制的并網(wǎng)逆變器整體控制系統(tǒng)模型，通過詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，揭示了電網(wǎng)電壓諧波通過鎖相環(huán)節(jié)在控制系統(tǒng)中的傳遞特性。分析發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電壓諧波不僅會通過鎖相環(huán)節(jié)在輸出電流中產(chǎn)生與之頻率相等的諧波分量，同時(shí)還會衍生出新的頻率的諧波分量，發(fā)生諧波衍生現(xiàn)象。諧波分量的大小與鎖相環(huán)

11、增益、電網(wǎng)電壓大小和逆變器輸出電流大小均有關(guān)系。在此模型基礎(chǔ)上，提出了一種基于電網(wǎng)正序分量諧振的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的鎖相方案來抑制諧波衍生現(xiàn)象。該方案首先將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，對電網(wǎng)電壓中正序分量進(jìn)行諧振預(yù)處理，將電網(wǎng)電壓幅值放大，然后再進(jìn)行鎖相控制。這個(gè)預(yù)處理過程的作用可以等效為一個(gè)陷波器疊加一個(gè)帶通濾波器的效果，可以有效的抑制電網(wǎng)電壓諧波的影響，同時(shí)兼顧系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度。最后通過與相位超前補(bǔ)償陷波器方案對比，驗(yàn)證了該方案在