Electrical Engineering and Automation (EEA) September 2013, Volume 2, Issue 3, PP.24-30
Study on the Control of Three-phase Two-stage GCPV Generation System and the Selection of its Parameters Sijia Liu 1#, Qinghu Hu 2, Yujin Yue 1, Hao Fu 1 1. Hunan Electric Power Design Institute, Changsha 410007, China 2. Tianjin Power Chengnan District Supply Company, Tianjin 300000, China #Email: lciga@126.com
Abstract Three-phase grid-connected photovoltaic generation system with two-stage has been researched in this paper, in which the selection principle of the main parameters in the system is available, and parameters of ACR and AVR are adjusted based on the typical І and typical II system design principles and thus grid-connected control is realized. Owing to the two-stage where the maximum power tracking is achieved in the first stage, and grid-connected is achieved via controlling inverter in the second stage, and the independence of the two-stage, the system has a great expansion capability. Finally, the system is proved to be well agreed with GB/T 14549-1993 by numerical simulations. Keywords: Grid-Connected Photovoltaic Generation System; Maximum Power Point Tracking; Direct Current Control; Distributed Generator
两级式三相并网光伏发电系统参数选择 及控制研究 刘思佳 1，胡庆虎 2，岳玉金 1，付豪 1 1. 湖南省电力勘测设计院，湖南省 长沙市 410007 2. 天津市电力公司城南供电分公司，天津市 300000 摘 要：本文研究了两级式三相并网光伏发电系统，给出了系统主要参数选取的原则，并根据典型 І 型和Ⅱ型系统设计原 则进行 ACR 和 AVR 的参数整定，实现了并网控制。由于两级的存在，在前级控制升压变化器实现最大功率跟踪，后级 控制逆变器实现并网，两级相对独立，便于系统容量扩展。最后运用 Matlab/Simulink 对设计的系统进行了仿真验证，结 果表明此系统并网电能质量符合 GB/T 14549-1993 标准。 关键词：并网光伏发电系统；最大功率跟踪；直接电流控制；分布式电源
引言 为了应对能源短缺，减少环境污染，降低温室效应，大量应用可再生能源具有意义重大。由于电力电 子技术的快速发展，作为可再生能源的太阳能以光伏发电形式在各国得到广泛应用 [1-3]，同时，并网光伏发 电系统省去了储能环节，被视为最有效的光伏发电方式。 两级式并网光伏（Grid-Connected Photovoltaic, GCPV）发电系统结构如图 1 所示。为了减少能量损失， 同时保证系统的稳定性，两级式并网光伏发电系统被采用 [4,5]。它主要包括 DC/DC 变换器、DC/AC 逆变 器、滤波环节。在两级式光伏发电系统中，一般在 DC/DC 变换器上实现最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking，简称 MPPT），逆变器将直流电转化为与电网频率相同的交流电进行并网。本文针对两级式 - 24 www.ivypub.org/EEA
三相光伏并网发电系统进行了研究，给出了前级 Boost 变换器及后级逆变器参数选取的原则，并在前级 Boost 变换器上实现了最大功率跟踪，对后级逆变器控制进行了设计说明，最后运用 Matlab/Simulink 对设计 的系统进行了仿真验证。
C1
C2
DC/DC 变换器
DC/AC 逆变器
光伏阵列
滤 波 器
交流 连接 装置
控制器
电网
图 1 两级式并网光伏发电系统结构图
1
Boost 变换器参数选取 Boost 变换器根据电感电流是否连续，可以分为连续导电状态（CCM），不连续导电状态（DCM）两
种工作模式[6]。在光伏发电中，应保证变换器工作在 CCM 下，在选取电感 L 确保变换器工作在 CCM 模式 下后，再选取电容 C 确保输出电压纹波满足要求。
1.1 变换器电感 L 光伏阵列输出功率和电压为非线性关系，在特定光照和温度的条件下，光伏阵列存在最大功率点。在 选取电感时，假定光伏阵列工作在标准条件下，且达到最大功率输出，则
RMPP D( D 1)2 T 2
L
(1)
式中， RMPP 为光伏阵列最大功率点等效内阻，D 为占空比，T 为变换器开关器件的开关周期。
1.2 纹波电容及支撑电容 C2 电容 C2 的选取至关重要，对其参数的选取既要考虑纹波电压同时又要考虑逆变器直流侧和交流侧的能 量交换。电感电流连续模式下，考虑二极管电流会全部流进电容器，在每个开关周期电容充电或者放电的 能量为 ΔQ，则
Q I 0 DT
(2)
由 Q 形成的纹波电压可以表示成：
U 0
Q I 0 DT U 0 DT C2 C2 RMPP C2
(3)
可以算得在电感电流连续模式时，指定纹波电压限值，需要的电容值为：
C2
U 0 DT RMPP U 0
(4)
式中，I0 为变换器输出电流，ΔU0 为纹波电压幅值，U0 为标准条件下光伏阵列经过变换器的输出电压。 C2 同时应满足能量传递守恒的关系[7]，则
C2
ES I N U dcU dc*
(5) *
式中，ES 为电网电压有效值，IN 为并网电流有效值，Udc 为直流侧电压， U dc 为电压脉动限值。 综合以上两个条件，选取电容 C2 的大小，在实际中，参数取值都应留有裕量。
2
滤波器设计 本文选取 L 型滤波，输出电感的值由电感电流纹波及逆变器直流侧电压和电网电压确定。对于单极性 - 25 www.ivypub.org/EEA
和双极式调制下电感电流的纹波最大值为：
imax
U dcT nL
(6)
当为单极性调制时，n=16，当为两级式调制时，n=8。 选取合适的纹波电流大小，假定取 μIN，则
imax I N 从而， L
(7)
U dcT nI N
根据并网时逆变器输出的电压矢量关系可得：
U dc 2 U L2 ES2 从而， L
(8)
U dc2 ES2 I N 。 2
当开关周期 T 确定后，对于 L 的选取与 Udc 相互制约，在实际应用中应合理考虑。
3
最大功率跟踪的实现及逆变器控制器设计 两级式并网光伏系统中，在前级 Boost 变换器控制上实现最大功率跟踪；后级逆变器控制实现直流电转
化为与电网频率相同的交流电，同时保证逆变器直流侧电压稳定。
3.1 前级 Boost 变换器控制 光伏阵列输出功率和电压为非线性关系，图 1 为不同光照条件下 Solarex 公司的 MSX 60 光伏模块 P-V 特性曲线，其数据是 PMPP=60W，UMPP=17.1V，IMPP=3.5A， Isc=3.8A，Uoc=21.1V。MPPT 就是在给定光照 强度和温度的前提下，自动寻找此时的 UMPP 或者 IMPP 并使光伏阵列工作在 UMPP 或者 IMPP，从而使光伏阵列 输出功率达到最大。MPPT 实现的方法有多种[8]，本文使用了常见的电导增量法[9]。 60
1KW/m2 0.8KW/m2
50
0.6KW/m2
P
PV
(W)
40 30 20 10 0
0
5
10 UPV (V)
15
20
图2 光伏组件PV特性曲线
电导增量法是在分析光伏阵列 P-V 曲线得出的。比较 dP/dU 与-I/U 的大小来跟踪 MPP。在 MPP 时， Uref=UMPP，当光伏阵列工作在 MPP，光伏阵列的输出保持在此点。当环境条件变化时，通过算法的计算， 增大或减小 Uref 使光伏阵列工作在新的 MPP。
3.2 后级逆变器控制 对于三相对称系统，考虑其单相的控制 [10]。逆变器的输出控制模式主要分为两种：直接电流控制和间 接电流控制[7]。间接电流控制动态响应慢，存在瞬时直流电流偏移；而直接电流控制相对简单，直接控制逆 - 26 www.ivypub.org/EEA
变器的并网电流，本文采用直接电流控制。 直接电流控制外环是直流电压控制环、内环是交流电流控制环，电压环控制 C2 的电压稳定实现光伏阵 列能量与电网之间的传递，同时经过 AVR 产生直流电流信号 id、id 乘以和相电压同相位的正弦信号，得到 三相交流电流的正弦指令信号，电流内环实现并网电流的跟踪控制，由此产生并网电流信号。直接电流控 制结构框图如图 3 所示。
Udc
i*
AVR
U*dc
ACR
ip*
iout
sin(ωt+φ)
图 3 直接电流控制结构图
3.2.1
电流内环
电流内环控制框图如图 4 所示，电流调节器 ACR 传递函数为 K P 2
KI 2 ； GPWM 为晶闸管装置的传递函 S
数，在工程设计中，通常把它等效为一个滞后环节[11]，则
GPWM
KS TS S 1
(9)
KS 为晶闸管装置的放大系数，TS 为晶闸管的失控时间。 滤波电感的传递函数为，
1 LS R
i ref* +
K P2
KI 2 S
(10)
GPWM
1 LS R
id(S)
图 4 电流内环控制框图
由此可得电流内环的开环传递函数为
GI (S ) ( K P 2
KS KS KI 2 S KI 2 KP2 1 1L ) S TS S 1 LS R S KP2 TS S 1 S R L
(11)
由上式可以看出，当选取合适的参数使 K I 2 K P 2 R L ，零极点对消得
GI (S )
KS KS KP2 1L S K P 2 TS S 1 SL (TS S 1)
(12)
由此，电流内环可以按照典型 І 型系统[11]进行参数整定。 3.2.2
电压外环
电压外环控制框图如图 5 所示，电流调节器 ASR 传递函数为 K P1 递函数，电流环经简化后可以视为电压环中的一个环节。
Udc* +
K P1
K I1 S
I (S )
图 5 电压外环控制框图 - 27 www.ivypub.org/EEA
KI1 ； I ( S ) 为电流内环等效闭环传 S
1 SC
Udc(S)
KS KP 2 1 2 1 GI (S ) S TS L SL K S K P 2
I (S )
(13)
1 KS KP2 时， I ( S ) 可以忽略高次项，则 3 TS L KS KP2 I (S ) SL K S K P 2
当外环的开环频率特性的截止频率 v
(14)
由此可得电压外环的开环传递函数为
GV (S ) ( K P1
KI1 K ( S 1) 1 ) I (S ) 21 1 S SC S ( 2 S 1)
(15)
式中， K1 K I 1 C ， 1 K P1 K I 1 ， 2 L K P 2 K S 。 由此，电压外环可以按照典型Ⅱ型系统[11]进行参数整定。
4
系统仿真
针对以上设计，在 Matlab/Simulink 中搭建仿真模型，电网相电压为 220V。光伏阵列模块按照文献[12]的 数据和模型进行封装，在本仿真中，搭建了可以输出 100KW 的光伏阵列。在标准条件下，阵列工作最大功 率点时的输出电压为 516V。根据前文所述参数选取的原则，Boost 变换器的电感为 2.5mH，纹波及支撑电 容为 2200μF，逆变器滤波电感为 8 mH，等效电阻为 0.15Ω。系统参数选取完成后，控制器按照典型 І 型、 Ⅱ型系统设计原则进行参数整定，电流内环的 ACR 参数为 K P 2 1.2 、 K I 2 22.5 ，电压外环的 AVR 参数 为 K P1 0.2 ， K I 1 6 。 光伏阵列输出电压经过 Boost 变换器升压到 640V 左右，经过与逆变器电压外环的给定电压比较，保证 逆变器左侧电能能够平稳的输送到电网，从图 8 中可以看出，逆变器直流侧电压稳定到了 640V 附近。 图 6 和图 7 是光伏阵列在光照条件为 1kW/m2，环境温度为 250C 时经过 MPPT 后光伏阵列的输出电压 和功率的波形，从图中可以看出，光伏阵列输出电压保持在 UMPP 左右，输出功率达到了最大。图 9 和图 10 是并网电流波形及其谐波检测图，从图中可以看出并网电流的谐波畸变率满足 GB/T 14549-1993 的规定。 4
x 10 600
10
Ppv(W)
400 300 200 0.15
8 6 4
0.2
0.25
2 0.15
0.3
0.2
图 6 光伏阵列输出电压波形
650
200
600
100
igrid(A)
300
550
0
500
-100
450
-200
0.2
0.3
图 7 光伏阵列输出功率
700
400 0.15
0.25 t(s)
t(s)
Udc(V)
Upv(V)
500
0.25
0.3
-300 0.15
t(s)
0.2
0.25 t(s)
图 8 逆变器输入电压波形
图 9 A 相并网电流波形 - 28 www.ivypub.org/EEA
0.3
0.05
THD
0.04 0.03 0.02 0.01 0 0.15
0.2
0.25 t(s) 图 10 并网相电流总谐波畸变率
0.3
结论
5
两级式光伏发电系统，前级变换器实现最大功率跟踪，后级逆变器实现并网，两者相对独立，便于系 统容量扩展。本文针对此两级式三相并网光伏发电系统进行了研究，给出了系统主要参数选取的原则，对 于后级逆变器采取双环控制，根据典型 І 型和 II 型系统设计原则进行 ACR 和 AVR 的参数整定，实现了并网 控制。仿真结果表明所选取的参数合理，控制器具有良好的性能，并网电能质量符合 GB/T 14549-1993[13]标 准。
REFERENCES [1]
Ma Shenghong, Zhao Yuwen, Wang Sicheng, et al. Strategic Position of PV Generation in Power Energy Structure of China and Its Development Direction [J]. Energy of China, 2005, 27 (6):24-32.
[2]
Yang Xiuyuan, Huang Dan, Shen Hong. Research on Control Strategy of Multi-energy Complementary Isolated Power System [J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(4): 156-162.
[3]
Dai Xunjiang, Chao Qin. Adaptive Current Hysteresis Control of Grid-Connected Inverter [J]. Electric Power Automation Equipment, 2009, 29(9): 85-89, 100.
[4]
S. B. Kjaer, J. K. Pedersen, and F. Blaabjerg, A Review of Single-phase Grid-connected Inverters for Photovoltaic Modules [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2005, 41(5): 1292–1306.
[5]
Zhang Housheng, Zhao Yanlei. Single-phase Double- stage Photovoltaic Grid-connected Inverter [J]. 2010,30(8): 95-99.
[6]
Ma Youjie, Liu Sijia, Zhou Xuesong, et al. Modeling and Simulation for Boost Converter Based on HDS Theory [C]// International Conference on Electrical Engineering and Automatic Control. Zibo, China: IEEE, 2010, 3:46-49.
[7]
Cheng Junzhao, Wu Xike, Li Shusen, et al. Boost-based Two-level Grid-connected Photovoltaic Inverter System [J]. High Voltage Engineering, 2009 (35), 8: 2048-2052.
[8]
Wen Jiabin, Liu Mifu. Improvement of Maximum Power Point Tracking for Photovoltaic System[J]. Electric Power Automation Equipment, 2009, 29(6):81-84.
[9]
Zhou Xuesong, Song Daichun, Ma Youjie, et al. The Simulation and Design for MPPT of PV System Based on Incremental Conductance Method[C]// WASE International Conference on Information Engineering. Beidaihe, China: IEEE, 2010, 2: 314-317.
[10] Chou Zhi-ling. The Study on Key Techniques of Three-Phase Three-Line Grid-Connected Converter Based on LCL-filter[D]. Zhejiang University, 2009. [11] Wang Guangxiong, He Lian. Control System Design[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2009. [12] Wang Yi-bo, Wu Chun Sheng, Liao Hua, et al. Steady- state Power Flow Analyses of Large-scale Grid-connected Photovoltaic Generation System[J]. Journal of Tsinghua University: Science and Technology, 2009(49), 8: 1093- 1097. [13] Quality of Electric Energy Supply--Harmonics in Public Supply Network[S]. Beijing. General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the PRC, 1993.
- 29 www.ivypub.org/EEA
【作者简介】 1
刘思佳（1987-），男，汉族，硕士，
2
胡庆虎（1986-），男，汉族，本科，工程师，从事输电线
工程师，从事新能源电站设计工作，
路维护工作，毕业于天津理工大学。
2012 年 毕 业 于 天 津 理 工 大 学 。
3
Email:lciga@126.com
电厂设计工作，毕业于华北电力大学。 4
岳玉金（1986-），男，汉族，硕士，工程师，从事大型火
付豪（1986-），女，汉族，硕士，工程师，从事输电线路
设计工作，毕业于东北电力大学。
- 30 www.ivypub.org/EEA