单相单级式光伏并网逆变器控制研究 肖文静 何鑫 吴斌 卓放 西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049 摘要：本文分析了户用型光伏并网系统的关键控制点，比较了最大功率点跟踪的电流寻优方式与电压寻优方式，建立了电流 输出型并网逆变器的数学模型，并分析了其控制方式。设计并制作了一台单相单级式光伏并网逆变器实验装置，在此实验装 置上进行了控制实验，完成了上述控制关键点。 关键词：光伏并网逆变器，最大功率点跟踪，前馈控制 Abstract：This paper illustrates control issues of household photovoltaic grid-connected inverter system. Current tracking method and voltage tracking method of PV cell maximum power point tracking (MPPT) are compared. Mathematical model of single-phase single-stage grid-connected PV inverter is established, and control method is analyzed. A single-phase single-stage inverter has been built, and proposed control methods are verified. Key words: Photovoltaic grid-connected inverter, maximum power point tracking, feed forward control 1 引言 太阳能光伏产业是世界发展速度最快的产业之 一。作为极具潜力的可持续能源，在各国政府的大力 扶持下，世界太阳能光伏产业发展迅猛，最近 10 年太 阳能电池及其组件的年均增长率达 33％，最近 5 年的 年均增长率达 43％[1]。目前，并网太阳能光伏发电的 应用比例快速增长，已成为光伏技术的主流应用。其 中，户用并网型光伏系统以其投资成本低，适用范围 广，灵活性高的优点，得到了大力推广。 本文根据户用并网型光伏系统的特点，对单相单 级式光伏并网逆变器的最大功率点跟踪及并网控制方 法进行了研究，并设计了一台实验装置以验证其控制 方法。 2 基本结构 图 1 为单相单级式光伏并网逆变器的主电路结构 拓扑。为了提高装置效率，本系统采用单级式结构， ______________________ 基金项目：微型电网电力电子设备装备拓扑和控制技 术研究（2008AA05Z215） 作者简介：肖文静(1987-)，女（汉），西安，硕士研究 生 通讯联系人：卓放，教授， Email: zffz@mail.xjtu.edu.cn ipv id ic Cdc 光 伏 阵 列 VT1 VT3 iL1 L1 iL2 L2 icf Cf VT2 VT4 图 1 主电路结构拓扑 升压变压器 grid 由光伏阵列、全桥逆变电路、滤波器和隔离变压器组 成[2]。为了降低电感体积，逆变器输出采用 LCL 三阶 滤波器。为了使逆变器适应光伏阵列输出宽电压范围， 并降低 IGBT 耐压值，隔离变压器选择升压变压器。 3 光伏阵列最大功率点跟踪 光伏阵列的输出特性可等效为恒压源和恒流源的 综合，具有独特的受光照和环境温度影响的功率曲线。 如图 2(a)和图 2(b)所示。 常用的光伏系统功率控制有两种方式，恒压跟踪 （Constant Voltage Tracking, CVT）和最大功率点跟踪 （Maximum Power Point Tracking, MPPT）。由于恒压 跟踪无法实时跟踪到光伏系统的最大功率点，导致系 统效率降低，因此，一般采用 MPPT 来进行功率调节。 MPPT 本质上是通过调节系统输出阻抗，使之与光伏 阵列内部阻抗匹配，以获得最大功率。常用的光伏系 统 MPPT 算法包括爬山法（Hill climbing method, H&C） 和增量电导法（Incremental conductance method, Inc） [3]。爬山法与增量电导法本质上类似[4]，两者的原理是 根据光伏阵列功率特性，步进式寻找最大功率。两者 

都存在输出功率在最大功率点附近振荡的问题。爬山 动时，检测光伏阵列开路电压，计算出理论最大功率 I/A 光照强度由强变弱 5 4 3 2 1 0 光照强度由强变弱 P/W 0 0 2 0 5 1 0 0 1 0 5 20 10 40 (a) 光伏电池I-V曲线 (b) 光伏电池P-V曲线 30 40 0 U/V 10 20 30 U/V 图 3 电压矢量图 P/W 0 0 2 0 5 1 0 0 1 0 5 P3 P2 P1 P3' P2' P1' P/W 0 0 2 0 5 1 0 0 1 0 5 P3 P2 P1 P6 P5 P4 0 10 20 30 40 U/V 0 10 20 30 40 U/V (c) MPPT电流寻优过程 (d) MPPT电压寻优过程 图 2 光伏电池特性曲线 法的计算量较小，而增量电导法的稳态振荡较小。单 级式光伏系统 MPPT 的控制方式有两种，一种是电流 寻优，根据 MPPT 的计算结果实时调整光伏阵列输出 电流，如图 2(c)所示；另一种是电压寻优，根据 MPPT 的计算结果实时调整光伏阵列输出电压，如图 2(d)所 示。图 2(c)电流寻优过程中，由于直流母线支撑电容 的作用，光伏阵列输出电压不会瞬变，因此寻优过程 为 P1－＞P2－＞P3，或者 P1’ －＞P2’ －＞P3’， 而不会从 P1 直接跳到 P1’。 图 2(d)电压寻优过程为 P1－＞P2－＞P3，或者 P4－＞P5－＞P6。从寻优方式 上比较，两种方法基本没有区别。 但是，单级式光伏系统的电流寻优 MPPT 存在直 流母线电压崩溃的问题[5]。在电压寻优过程中，可通 过后级逆变的 PWM 控制直接对母线电容进行稳压， 也就是直接控制光伏阵列输出电压。而电流寻优时， 由于光伏阵列输出电流无法直接控制，只能通过调节 逆变器的输出功率来间接控制光伏阵列输出电流。由 于逆变器输出电压为电网电压，当改变输出功率时， 等同于改变输出电流，即可相应地改变光伏阵列输出 电流。电流寻优 MPPT 直流母线电压崩溃过程如下： 当光伏阵列输出电流小于最大功率点电流时，可增大 输出功率来跟踪。此时，如果太阳光照强度发生变化， 或电流寻优的步长选择得不合适，逆变器输出功率可 能已经高于光伏阵列输出功率了，这就会导致直流母 线电压下降。直流母线电压下降，导致工作功率点左 移，光伏阵列输出功率远离最大功率点，从而令逆变 器输入功率进一步小于逆变器输出功率，直流母线电 压进一步下跌，最终无法支撑逆变器的正常工作。 因此，本装置采用电压寻优方式来跟踪光伏阵列 最大功率点。 此外，本文采取了一些改进措施，来提高 MPPT 效率。一方面，将 CVT 与 MPPT 相结合，即在系统启 点电压，在此电压处开始 MPPT。另一方面，为了减 少 MPPT 误动作，提高 MPPT 稳态特性，本系统设置 了一个 MPPT 功率调节死区 dP。当两次检测之间功率 变化小于 dP 时，系统不再调节。 4 逆变器并网控制 4.1 直流母线电压范围 系统直流母线电压调节上限 Udc_max 由 IGBT 和电 容耐压值决定，而直流母线电压调解下限 Udc_min 由逆 变器输出电压和电流决定。图 3 是逆变器电压矢量图 [6]，其中 Udc 为直流母线电压，Ugrid 为单相电网电压， Rs 为线路阻抗，ω 为电网角频率，i 为输出电流。 LCL 滤波器是低通滤波器，滤波电容 Cf 上只有高 频分量。因此对于输出电流的工频分量 i 而言，电感 L1 电感 L2 上的电流 i 是一致的。由此可得到保证输出 电流波形不畸变的直流母线电压最低值 Udc_min。 U dc _ min = u ( grid _ max + iR s 2 ) + Liω ( max 2 ) (1) 4.2 系统模型 逆变器输出可控制成电压源或电流源。若将并网 装置控制为电压源，则很难抑制电压源并联产生的环 流。因此，本文将逆变器控制成与电网电压同频同相 的电流源。 图 4 为并网逆变器的控制原理图，MPPT 的输出 作为直流侧电压给定，后级采用直流侧电压外环、电 cG s 分 感电流 iL1 内环的调节方式。其中， 1( ) 别为电压外环调节器和电流内环调节器传递函数，通 常采用 PI 调节器，即 cG s 和 2( ) G s ( ) C 1 G s ( ) C 2 = k (1 + p 1 1 T s i 1 ) (2) = k p 2 (1 + 1 T s i 2 ) (3) 忽略开关管的非线性特性及死区时间的影响， PWM 环节可等效成一个比例惯性环节，其中时间常数 Ts 为开关周期。 

IL_ref SIN + - PLL + + MPPT Udc_ref + - - + Udc + - Idc 图 4 系统控制图 G PWM s ( ) = V dc V tri 1 T s + s 1 (4) i uG s 为电感电流对 PWM 输出电压的传递函 / 1( ) 使用 MATLAB 的 Simulink 工具进行系统仿真。 仿真模型及结果分别如图 6 至图 9 所示。 数， G i u / 1 s ( ) = 1 + s L ( 1 + L 2 ) 2 sCR s L C + 2 s L ( 1 + + ) 2 L CR s L L C 2 1 2 + 3 (5) i ugG / s 为电感电流对电网电压的传递函数， ( ) 图 6 太阳能电池 Simulink 模型 i ugG / s ( ) = s L ( 1 + L 2 ) + 1 − + 2 s L ( 1 L CR s L L C 2 1 2 + ) 3 (6) 在电流内环中，电网电压对于电感电流而言是扰 动量，电网电压的谐波及波动直接影响了电感电流波 形质量。由图 4 中可得出，电网电压扰动对输出 iL1 的 作用误差为： E s ( ) g = − G s ( ) i ug / G s 1 ( ) + u grid s ( ) (7) 为了提高系统动态性能，电流环采用电网电压前 馈进行补偿，如图 5 所示。补偿后的电网电压扰动对 输出 iL1 的作用误差为： ' E s ( ) g = G − i ug / + s G s G ( ) ( ) PWM fdf ' G s ( ) 1 + s G ( ) i u / 1 s ( ) u grid s ( ) (8) 若前馈补偿调节器满足： 图 7 并网逆变器 Simulink 模型 G i ug / s G s G ( ) ( ) = fdf PWM s G ( ) i u / 1 s ( ) (9) 图 8 MPPT 光伏电池输出功率和电压 则可实现对电网扰动的完全补偿。 图 4 中，锁相环（PLL）为硬件锁相，即电网电 压过零检测电路。此电路在电网谐波畸变率较大时， 仍然能够较好地跟踪电网电压过零点。 IL + - + + - + 图 5 带前馈补偿的电流环控制框图 5 系统仿真 图 9 稳态时逆变器仿真结果 其中，图 8 为 MPPT 过程中光伏电池输出功率和 电压，可见，一段时间后，光伏电池输出功率逐渐稳 定在最大功率点 6.3kW，输出电压也逐渐稳定。图 9 分别为稳态时直流母线电压，逆变器输出电流以及电 网电压。图中可见，直流侧电压纹波为 10V，满足系 

统要求；输出电流波形能很好地跟随电网电压。 6 实验结果 设计了一台 6kW 单相单级式光伏逆变器实验装 置，主电路主要器件如下：IGBT，PM75B6LA060； 母线电容，CD294 1000μF/400V 2 串 10 并；L1， 1.36mH/50A；变压器，150:220/6kVA；Cf，CBB65-SH 5μF/450Vac。数字控制部分采用 DSP2812 与 MAX II CPLD 相结合，其中 DSP 用来实现启动、故障时序， 并网控制算法，MPPT；CPLD 实现逻辑综合。显示部 分采用一块 LCD，通过 RS232 接口与 DSP 及上位机 进行通信，并显示系统当前状态。光伏逆变器输入端 与太阳能电池连接，太阳能电池峰瓦为 6.6kW。 实验结果如图 10 所示，在太阳能电池最大输出功 率达到 6.6kW 时（通过在相同光照和温度条件下不断 改变后级负载来测量最大功率点），逆变器输出功率为 6.2kW。经测量，满载时光伏逆变器损耗约为 300W 左 右，因此，系统的 MPPT 效率在 98％以上。满载时， 输出电流谐波为 3.9％，满足系统设计指标。 图 10(a) 电网电压与输出电流波形 图 10(b) 输出电流各次谐波 图 11 为 6kW 单相单级式光伏逆变器实验装置照 片。 图 11 单相单级式光伏逆变器实验装置 7 结论 本文简要的介绍了一种单相单级式光伏并网逆变 器的主电路结构，比较了最大功率点跟踪的电流寻优 方式与电压寻优方式，建立了电流输出型并网逆变器 的数学模型，并对系统进行了 simulink 仿真，以验证 其可行性。 设计了一台 6kW 单相单级式光伏并网逆变器，通 过实验证明，本装置可以在提出的控制方法下完成设 计功能，实现稳定输出。 参考文献： [1] 王长贵，王斯成. 太阳能光伏发电实用技. 北京：化学 工业出版社, 2009. [2] M Ciobotaru,. R. Teodorescu, F. Blaabjerg, “Control of single-stage single-phase PV inverter”, in Power Elec. and App., 2005 Euro. Conf. on, 10pp.- pp.10 [3] S. Jain, V. Agarwal, “Comparison of the performance of maximum power point tracking schemes applied to single-stage grid-connected photovoltaic systems”. Elec. Power App., Sept. 2007, pp 753 - 762 [4] 汪海宁, 光伏并网功率调节系统及其控制的研究[D], 合肥工业大学，2005 [5] L.b. Wu, Z.m.Zhao, J.z. Liu, et al. “Modified MPPT Strategy Applied in Single-Stage Grid-Connected Photovoltaic System”, Elec. Machines and Systems, 2005. ICEMS 2005. pp 1027 - 1030 Vol. 2 [6] 黄俊, 王兆安. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社， 2000：Page166