单相光伏并网逆变器的无差拍控制研究电工电气 (2009 No.1)
设计与研究
单相光伏并网逆变器的无差拍控制研究
单竹杰1，林明耀1, 顾娟1，贡力2
(1 东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096；2 江苏津恒能源科技有限公司，江苏 常州 2131)
摘 要：逆变器是光伏并网发电系统的核心设备之一，为了使光伏系统最大限度地输出高质量的电能，必须对逆变器电流进行快速有效的控制。阐述了光伏并网逆变器工作原理和无差拍电流控制方法，给出了逆变器占空比的计算和参考电流的获取方法，并将无差拍电流控制应用于单相并网逆变器控制中。MATLAB软件仿真表明，无差拍控制方法控制策略简单、有效，使用该控制方法的系统具有良好的稳态和动态特性，并网电流波形好。
关键词：光伏并网；发电；逆变器；无差拍控制
中图分类号：TM4 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2009)01-0005-03
Research on Single-Phase Photovoltaic Grid-Connected
Inverter with Deadbeat Control
SHAN Zhu-jie1, LIN Ming-yao1, GU Juan1, GONG Li2
（1 School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China;2 Jiangsu Jinghen Energy Science and Technology Corporation, Changzhou 2131, China）
Abstract: Inverter is one of the key equipment in the photovoltaic grid-connected power generation systems. To make the photovol-taic system output the high-quality power energy at its maximum, it is necessary to control the current of the inverter operation fast and effectively. On the Basis of the operation principle of the photovoltaic grid-connected inverter and the deadbeat current control method, the duty cycle calculation, the reference current and the photovoltaic grid-connected inverter with deadbeat control were discussed. MATLAB simulation shows that the deadbeat control strategy is simple and effective, the inverter has better steady and dynamic performance, and the grid-connected current waveform is good.
Key words: photovoltaic grid-connected; power generation; inverter; deadbeat control
0 引言
光伏发电系统主要有发电系统和并网发电系统。与发电系统相比，并网光伏发电系统具有造价低、输出电能稳定的优点，应用前景广阔。并网逆变器作为光伏发电系统和电网的接入口，在并网光伏发电中起着至关重要的作用，研究并网逆变器的控制方法具有重要实用价值。
无差拍控制是一种数字化PWM控制方法，最早由卡尔曼于1959年提出，20世纪80年代中期开始应用于逆变器控制中，它具有动态响应速度快、精度高、控制过程无过冲等特点，用于单相光伏并网逆
变器的控制中，可以提高逆变器的抗干扰能力。本文通过分析研究，建立了并网逆变器无差拍控制的数学模型，通过MATLAB/Simulink软件仿真，验证了无差拍控制工作的稳定性，可提高系统输出电能的质量。
1 无差拍控制
1.1 无差拍控制的基本原理
无差拍控制是一种基于被控制对象精确数学模型的控制方法，具有很高的响应速度。由于其具有非常快的暂态响应，因此非常适用于易受外部多变环境影响的光伏并网发电系统逆变器的控制。无差
基金项目：江苏省国际科技合作项目(BZ2007033)
作者简介：单竹杰(1983- )，男，硕士研究生，研究方向为太阳能光伏发电、电力电子及电力传动等。
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电工电气 (2009 No.1)单相光伏并网逆变器的无差拍控制研究拍控制的基本控制思想是：根据逆变器的状态方程和输出反馈信号来推算出下一个开关周期的PWM脉冲宽度，用该PWM脉冲宽度来控制逆变桥相应功率管的通断，从而得到所需要的逆变器输出波形[1]。具体表述见1.2控制脉冲的计算。1.2 控制脉冲的计算单相并网逆变器工作原理图如图1所示。图中从式(3)中可以看出：逆变器在k时刻的输出平均电压uinv(k)可根据k时刻的iL(k)、ugrid(k)及参考电流iref(k+1)计算得到。由于iL(k)可实时采样得到，而参考电流iref(k+1)为已知，因此只要能得到Udc为直流侧电压，由光伏阵列产生的直流电经DC-DC升压后得到，大约为400V。由V1～V4组成全桥ugrid(t)在第k个采样周期内的平均电压为：逆变器，V1、V4和V2、V3功率管交替导通，向电网输出并网电流。L和C组成滤波器，滤除逆变器并网 u(k)=grid电流中的高次谐波，RL为线路的等效电阻。1k+1)Ts (kTugrid(t)dt=sTs2Ugrid(5)V1 {cos(ωkTs)-cos[ω(k+1)Ts]}D2D1V2ωTsLUdc+-UinvRLC电网～Ugridugrid(k)，就可以得到逆变器在k时刻的输出平均电压uinv(k)。下面计算ugrid(k)。由于逆变器与电网并联工作，因此可知，逆变器输出电压等于电网电压，即： (4)ugrid(t)= U2gridsinωt得到ugrid(k)后，我们就可以方便地计算得到V3D3V4D4uinv(k)。uinv(t)实际上为脉冲波电压，由于逆变器输出电压与直流母线电压成比例关系，因此逆变器功率器件每个采样周期内的占空比为：uinv(k)D(k)= Udc将式(3)代入式(6)可得：(6)
图1 单相并网逆变器工作原理图逆变器工作时，其输出的参考电流已知，输出的电感电流可以通过采样得到。并网工作时，滤波电容电流与逆变器输出的电流相比可忽略不计。根据图1列出时域电路方程：diL(t) +Ri(t)+uuinv(t)=L LLgrid(t)dt差分方程：(1)L[i(k+1)-iL(k)]+RLiL(k)+ugrid(k)Tsref(7)D(k)= Udc第k次采样周期的逆变器功率器件的占空比在一个采样周期Ts内，将式(1)转换成相应的Luinv(k)= [iL(k+1)-iL(k)]+RLiL(k)+ugrid(k)(2)TsTs—功率器件开关周期，即采样周期；L—式中，逆变器输出的滤波电感；iL(k)—第k个采样周期电感L的采样电流；uinv(k)—第k个采样周期时逆变器的输出电压平均值；ugrid(k)—第k个采样周期时电网电压平均值；RL—线路等效电阻。
要使滤波电感电流在第(k+1)次采样时刻跟踪上逆变器参考电流信号iref(k+1)，用iref(k+1)代替式(2)中的iL(k+1)可得：
D(k)可由Udc、iL(k)、ugrid(k)、iref(k+1)决定。于是对每一个采样周期功率管占空比的控制就转化为对参考电流信号的控制，要求参考电流信号的频率和相位可跟踪电网电压频率和相位[2]。通过式(7)所求得的占空比D(k)控制逆变器的开关器件，即可得到iref(k+1)的输出，从而实现逆变器的无差拍控制。2 单相光伏并网逆变器2.1 并网逆变器工作原理
并网逆变器将光伏阵列产生的直流电变换为正弦交流电，经过滤波后输送到电网。逆变器输入为电压源方式，输出控制采用电流控制方式。通过控制电感电流的频率和相位来跟踪电网电压的频率和相位，保证正弦输出，使输出功率因数为1，从而
Luinv(k)= [iref(k+1)-iL(k)]+RLiL(k)+ugrid(k)(3)
Ts
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达到并网运行的目的[3]。2.2 参考电流信号
通过对无差拍控制工作原理分析可知，为了获得逆变器下一个采样周期的脉宽控制宽度，必须知道逆变器下一个周期的参考电流信号。
参考电流iref的获得：光伏器件的输出功率可由其输出电压和输出电流得到，去除电路中的损耗后即为逆变器的理论输出功率；用该功率除以电网电压有效值得到逆变器参考电流的有效值，由于我们需要的参考电流要求频率和相位与电网电压保持一致，因此根据电网电压的频率和相位关系，就可得到逆变器输出的具体电流参考信号。光伏并网逆变器参考电流获取原理图如图2所示。
经MPPT最大功率点控制后太阳能电池板的输出功率Pv参考电流iref无差拍控制器并网逆变器U/V应用Simulink/Power gui模块对并网电流进行了谐波分析，得到并网电流的总谐波失真THD为2.%。由仿真结果可以知道，并网电流很好地跟踪了电网电压，谐波含量较小，并且系统具有较高的稳定性。
400
1
200
2
0
0200400
-200-200
-400
00.040.08
t/s
0.120.16
-4000.20
1—电网电压波形 2—并网电流波形
除法器比较器电网图4 电网电压和并网电流波形
电网电压Ugrid并网电流iL4 结语
光伏并网逆变器是光伏并网发电系统的核心器
图2 光伏并网逆变器参考电流获取原理图
件之一，其性能的优劣直接影响着光伏并网发电系统所发电能的质量。本文对光伏并网逆变器采用无差拍控制方法，通过仿真实验结果可以看出，并网电流很好地跟踪了电网电压，并且电流正弦度较好，谐波含量较少，达到了向电网输送高质量电能的目的。
参考文献
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3 仿真结果
基于以上分析，在MATLAB/Simulink中对逆变器无差拍控制方法进行了仿真，仿真模型框图如图3所示[4]。具体参数设计如下：逆变器输出功率为3kW，直流侧电压为400V，逆变桥开关频率为10kHz。电网电压和并网电流仿真波形如图4所示。
电路部分直流电压输入单相逆变桥滤波环节电网电压生成PWM波控制逆变桥各功率管无差拍控制模块采样并网电流iL获得参考电流iref控制部分图3 逆变器无差拍控制仿真模型框图收稿日期：2008-09-24
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