大功率光伏逆变器建模与控制(4)

(2)相邻两基本电压矢量作用时间的确定 令：

??X?u?Ts/Vdc???33???? ?Y??2u??2u??Ts/Vdc (3-18)

?????33??u?u??Ts/Vdc?Z?????2??2??那么各扇区相邻基本电压矢量的作用时间如表3.2所示。

表3.2. 相邻基本矢量作用时间表

扇区号N 1 Z Y 2 Y X 3 -Z -X 4 -X Z 5 X -Y 6 -Y -Z T1 T2

如果出现饱和情况，即：T1?T2?T，则应该将电压矢量端点拉回至六边形内切圆内，

(3)确定矢量切换点

第Ⅲ扇区中三相PWM波形按脉冲宽度的大小依次定义其空间矢量的切换点分别为：

表3.3给出了在不同扇区内空间矢量的切换点：

表3.3 开关切换时间表

扇区号N 1 2 3 4 5 6 3.2 三相并网逆变器的闭环控制

在第二章中已经提到，为了实现有功电流和无功电流分别控制的目的，将基于静止ABC 坐标系的并网方程（2-1）变化为同步d-q 坐标系下的状态方程（2-8）。这样所有的交流量变换为直流量，有利于PI 电流调节器对并网电流

进行闭环控制。

3.2.1 闭环控制模型的建立

由控制系统结构框图可知，基本控制过程如下：首先，控制系统将采集到的并网逆变器输出三相电流ia、ib、ic经过Clark 变换和Park 变换后，分解为有功电流量和无功电流量，再与指令电流比较后经过PI电流调节器后生成新的逆变器控制指令；由于并网逆变器通常需要控制为单位功率因数运行，因此，令无功电流为零，而有功电流的指令由最大功率点跟踪（MPPT）控制器给出。为使并网系统的有功功率输出达到最大，须采用锁相技术（PLL模块）控制输出电流的频率和相位与电网电压严格同步。因此，在闭环控制结构中，由于外环电流由MPPT给定，所以主要设计任务就是内环PI电流调节器的设计与MPPT控制器的设计。

3.2.2 PI电流调节器的设计

光伏并网逆变器的控制目标是实现输出电流对公用电网电压波形快速准确跟踪，为了获得期望的稳态和动态性能指标，光伏并网逆变器的电流调节器需要具有很好的随动性能，快速的跟踪电流控制环的给定信号。本文根据调节器设计特性选择典型I 型系统设计内环PI电流调节器。

由于两电流内环的对称性, 因而以电流iq控制为例讨论电流调节器的设计。考虑电流内环信号采样的延迟和PWM 控制器的小惯性特性, 已解耦的iq电流内环结构如图3.7所示。

iq*+-1Tss?1KipK?iISKPWM0.5Tss?11/R(L/R)s?1iq

图3.7 iq电流环控制结构

图3.7中, Ts为电流内环电流采样周期(亦即为PWM开关周期) , KPWM为桥路PWM等效增益。为了使电流内环具有较好的电流跟随性能,可按照典型一阶环节进行整定, 经整定后的PI参数为:

L?K?ip?3TsKPWM? （3-21） ?KipL?KiI????3TsKPWM? 根据上述闭环系统PI调节器的整定方法可算出电流环调节器的参数, 并由

此可对系统进行仿真分析。

3.2.3 MPPT控制的基本原理与控制方法 3.2.3.1 MPPT控制的基本原理

在常规的线性系统电气设备中，为使负载获得最大功率，通常要进行恰当的负载匹配，使负载电阻等于供电系统的内阻，此时负载上就可以获得最大功率。对于一些内阻不变的供电系统，可以用这种外阻等于内阻的简单方法获得最大输出功率，但在太阳能电池供电系统中，太阳能电池的内阻不仅受日照强度的影响，而且受环境温度及负载的影响，因而处在不断变化中，从而不可能用上述简单的方法获得最大输出功率。

由太阳能电池的I—V特性曲线可以看出，太阳能电池是非线性电源，当太阳能电池阵列工作电压小于最大功率点电压Um时，阵列输出功率随着工作电压的上升而增大，当阵列的工作电压大于Um时，阵列输出功率随着工作电压的上升而减小。同时，太阳能电池随着日照强度和环境温度的变化，太阳能电池输出电压和输出电流也会跟着发生变化，其输出功率也产生很大的变化。为了使太阳能电池阵列充分吸收太阳能，在不同的日照强度、温度条件下始终输出最大功率，提高系统的效率，就要对太阳能电池阵列进行最大功率点跟踪，让其始终工作在最大功率点上。

太阳能电池最大功率点跟踪控制（MPPT）是一个自寻优的过程，即通过控制太阳能电池阵列的端电压，使光伏电池能在不同的日照强度和温度环境下智能化地输出最大功率。

3.2.3.2 MPPT的跟踪方法

目前常用的最大功率跟踪的方法包括：恒定电压法（CVT），扰动观察法，间歇扫描法，电导增量法等。而其中的扰动观察法由于其结构简单，需要测量的参数少，所以被普遍应用于光伏电池板的最大功率点跟踪，因此本文详细介绍扰动观察法。

扰动观察法，又称爬山法，由于其结构简单，需要测量的参数较少，所以其被普遍应用于光伏电池板的最大功率点跟踪。其原理就是先引入一个小的变

化，扰动太阳能电池板的输出电压值，如（UPV??U），再测量其功率变化，将其与扰动之前的功率值相比较，若其功率值增加，则表示扰动方向正确，可朝着同一方向，即(??U)方向扰动；若扰动后的功率值小于扰动前，则往相反(??U)方向扰动，这样就保证了使太阳能电池板功率输出向增大的方向变化。如此反复扰动、观察与比较。使太阳能电池板达到最大功率点，实现最大功率的输出。其原理如图3.8所示：

图3.8 扰动观察法的原理图

此法的最大优点在于其能够较容易在不知道光伏电池的特性曲线的情

况下实现MPPT控制，且结构简单，被测参数少。通过不断扰动使阵列输出功率趋于最大，即使跟踪已达最大功率点附近，但是扰动还是不会停止。其缺点是对固定步长?U大小的确定。如果步长?U较小，光伏系统在最大功率点附近震荡的幅度越小，能量损失越小，但达到最大功率点需要扰动的次数越多，所用的跟踪时间也越长。反之，当步长?U较大时跟踪速度快，但在最大功率点附近波动幅度大，能量损失也严重。因此，光伏系统最大功率点跟踪的速度和稳态精确度难以同时保证，只能根据实际需求折中选取步长，以获得可接受的动态和稳态性能。同时，由于始终有??U的存在，在最大功率跟踪过程中将导致些微功率损失。

扰动观察法的实质就是基于采样电压值和采样电流值计算出光伏电池的输出功率并观察其功率变化，再比较前一个和当前的电压值来确定电压的变化方向，计算出新的参考电压UREF错误！未指定书签。用于产生PWM的控制信号。

扰动观察法的流程如下图所示，图3.9中据这两个值计算功率值

、

是新的采样测量值，根

。将其与K点前一个测量点的功率值进行

比较。功率值的大小变化决定下一步“扰动”的方向。如果功率增加，则“扰动”的方向不变；如果功率减小，则“扰动”的方向相反。而“扰动”的方向则是由

是否大于

来决定的。

图3.9 扰动观察法的流程图

3.2.4 闭环控制系统的仿真实现与结果分析

运用MATLAB/SIMULINK 仿真软件对系统进行仿真分析,建立的闭环控制系统仿真模型如图3.10所示，设定直流侧电源电压Vdc=600V，直流母线电容

C?1?10?3?F,交流侧三相电网电压为：

2???e?250sin(t?90)?a50?2??e?250sin(t?30?) ?b50??e?250sin(2?t?210?)c?50?电感L=2mH，PI调节器参数P=0.25，I=0.25。