簡單易學的單相兩級式光伏并網逆變器控制策略

單相兩級式光伏并網逆變器與單級式相比，雖然結構復雜，但前、后級可分開控制，控制方法較簡單。而且前級DC/DC變換器選用不同的拓撲結構可滿足不同的太陽能電池輸入電壓，應用起來比較靈活。對于單相兩級式光伏逆變器，除了要實現MPPT和并網逆變外，還必須將連接前后級的母線電容電壓控制在一定范圍內。電壓太低滿足不了并網逆變要求，電壓高則母線電容耐壓也高，體積大。若控制不當，母線電容將一直升高到高出電容耐壓，導致“母線電容崩潰”。

2 雙PI環控制

單相兩級式光伏并網逆變器通常前級采用MPPT控制，后級采用電流內環、母線電壓外環的雙環PI環控制，其典型控制簡圖如圖1所示。其中電流內環控制框圖如圖2所示。

并網電流ig與參考電流igref的誤差經調節后與高頻三角載波交截，得到驅動信號驅動逆變橋，實現電流跟蹤。GiPI(s)為PI環節傳遞函數;KPWM/(0.5sTs+1)為采用PWM控制的逆變橋傳遞函數，可等效為慣性環節，KPWM為PWM及主電路增益;1/(sTs+1)為采樣延時和PWM控制滯后的小慣性環節。

將采樣延時環節和PWM裝置延時環節合并，由于開關頻率較高，合并后s2的系數遠小于s的系數，可以將該項忽略，簡化為一階慣性環節：1/(1.5sTs+1)。

等效電壓外環控制框圖如圖3所示，Udc為直流母線電壓;GuPI(s)為PI環節的傳遞函數;1/(Cs)為濾波電容的傳遞函數;Gi(s)為電流內環的閉環傳遞函數。

根據以上電流環的設計，可得簡化等效閉環傳遞函數為：Gi(s)=1/(1+3sTs);同樣將采樣延時和電流環傳遞函數合并等效為：1/(1+4s Ts)。 3 雙PI控制的補償和改進

單相光伏并網逆變器的輸出電壓和電流均為工頻正弦變量，其輸出有功功率表現為2倍工頻的正弦變量，這樣實際母線電容就有相同頻率的紋波電壓。因此母線電壓控制環節產生的參考電流幅值就不是一個標準的直流變量，也含有2倍頻交變分量，電流基準給定信號就不是標準的正弦波，因此會導致實際并網電流波形THD升高。

另一方面，市電電網電壓包含大量的低次和高次諧波，實際用電負荷的突變還會導致電網電壓隨機波動。電流環中沒有考慮到電網電壓ug對電流波形的影響。

設igref與ig的誤差信號為ie，則ie=igref-ig，差分方程為：die/dt=digref/dt-dig/dt。若不考慮開關頻率諧波分量的影響，有：

Lfdig/dt=uAB1-ug (1)

式中：Lf為輸出濾波電感；uAB1為橋臂輸出側基波分量。

設ie接近零，可得die/dt=digref/dt-(uAB1-ug)/Lf=0。根據逆變器調制原理可得：

uAB1=Udcum/Utri (2)

式中：um為逆變器正弦調制信號;Utri為三角載波幅值。

整理可得：

um=Lf(Utri/Uref)d[(Uref/Udc)igref]/dt+(Utri/Udc)ug (3)

(Uref/Udc)igref說明母線電壓的紋波影響并網電流，(Utri/Udc)ug說明電網電壓對電流控制也有影響。所以單純采用雙PI控制在實際電路中很難滿足并網逆變器THD5%的要求。根據式(3)可知，若增加Udc/Uref乘以電網電壓作為前饋補償，就可消除電網電壓對并網電流的影響。

4 電壓外環PR調節

單純采用雙PI控制時，為了保證系統穩定性和動態性能，電壓環環寬一般都設為200～500 Hz，即使加入母線紋波補償，也無法完全抑制100 Hz紋波對并網電流的影響。若采用PR調節器作為電壓外環調節器，則可很好地抑制母線紋波對并網電流的影響，同時可保證系統動態系能，即有：

Gc(s)=Kp+Kr(s2+ω2)/[s2+(ω/Q)s+ω2] (4)