光伏并网逆变器电流控制策略的研究

光伏并网逆变器电流控制策略的研究

张阳

宿迁市中建材光伏发电有限公司    江苏宿迁    223800

摘要：为了提高光伏并网逆变器系统的性能和控制效果，文章从系统建模和电流控制策略为切入角度，深入研究了光伏阵列特性、逆变器拓扑结构和并网系统数学模型。在此基础上，提出并分析了PI控制、单周期控制、PR控制和重复控制等多种电流控制策略，旨在实现并网逆变器的高精度电流跟踪、谐波抑制和动态性能优化，为光伏发电系统的并网控制提供理论指导和实践参考。

关键词：光伏；并网逆变器；电流控制

引言：随着可再生能源利用的不断深入，光伏发电系统在能源结构中的地位日益凸显。作为连接光伏阵列和电网的核心设备，并网逆变器的性能直接影响整个系统的发电效率和电能质量。本研究聚焦于光伏并网逆变器的电流控制策略，通过对比分析多种控制方法的优缺点，探索提升系统性能的有效途径。这对于促进光伏发电技术的进步和推动清洁能源的广泛应用具有重要意义，以期为相关技术人员和研究者提供有价值的参考。

一、光伏并网逆变器系统模型

（一）光伏阵列模型

光伏阵列模型是描述光伏发电系统核心组件工作特性的数学表达。该模型通常采用等效电路法建立，将光伏电池等效为理想电流源、二极管和并联、串联电阻的组合。在此基础上，考虑光照强度和温度对输出特性的影响，构建光伏阵列的I-V和P-V特性曲线。通过引入填充因子概念，可准确刻画最大功率点附近的非线性特性。此外，为提高模型精度，还需考虑旁路二极管、串并联组合等实际因素的影响。精确的光伏阵列模型为后续最大功率点跟踪控制奠定基础，是实现高效光伏发电的关键。

（二）并网逆变器拓扑结构

并网逆变器是连接光伏阵列和电网的关键设备，其拓扑结构直接决定了系统的性能和效率。单相逆变器可用于低功率系统，其拓扑结构可分为全桥和半桥两种。三相逆变器则广泛应用于大功率系统，主要包括两级式和三级式拓扑。两级式拓扑结构简单，但存在共模电流问题；三级式拓扑可有效抑制共模电流，但控制相对复杂。选择合适的拓扑结构需综合考虑系统容量、效率、可靠性等多方面因素。

图1并网逆变器拓扑结构图

（三）并网系统数学模型

建立准确的数学模型是分析和控制并网系统的基础。通过对逆变器输出端的电压和电流关系进行分析，可得到系统的电压方程。该方程反映了逆变器输出电压、电网电压、输出电流以及系统阻抗之间的关系。此外，考虑到系统的非线性特性，还需要引入小信号模型来描述系统在不同工作点附近的动态行为。同时，根据瞬时功率理论，可建立系统的功率方程，描述有功功率和无功功率的传输特性。这些数学模型为后续的控制策略设计和系统性能分析提供了理论依据，对提高系统的稳定性和动态响应具有重要意义。通过对这些模型进行深入研究，可以优化系统参数，提升并网系统的整体性能[1]。

二、光伏并网逆变器电流控制策略研究

（一）比例积分（PI）控制策略

比例积分控制作为经典的反馈控制方法，在光伏并网逆变器中得到广泛应用。PI控制器通过调节比例增益Kp和积分时间常数Ti，实现对系统误差的快速响应和稳态精度的改善。在d-q坐标系下，PI控制可将交流量转换为直流量处理，简化控制结构。PI控制器的传递函数可表示为：

其中，Ki=Kp/Ti为积分增益。然而，PI控制在跟踪交流信号时存在固有的稳态误差，难以完全消除电网电压扰动的影响。为克服这一缺陷，常采用前馈补偿技术，引入电网电压信息以提高系统的抗干扰能力。PI控制器参数的整定对系统性能影响显著，需要权衡系统的动态响应和稳定性。在实际应用中，可结合自身适应算法或模糊逻辑等智能方法，实现参数的在线调整，以适应不同工况下的控制需求。尽管PI控制在某些方面存在局限性，但其简单易实现的特点使其仍然是光伏并网逆变器中不可或缺的控制策略之一。

（二）单周期控制策略

单周期控制策略以其独特的非线性控制特性，在光伏并网逆变器中展现出卓越的性能。该策略基于积分-比较-重置的原理，通过在每个开关周期内对误差信号进行积分，实现对系统输出的精确控制。单周期控制无需复杂的数学模型，对系统参数变化和外部扰动具有较强的鲁棒性。在并网应用中，单周期控制可有效抑制电网谐波，提高系统的动态响应速度。然而，该策略的控制精度受开关频率的影响显著，在大功率系统中应用受限。为解决这一问题，可采用数字化实现方式，通过高速数字信号处理器提高控制精度。此外，单周期控制在多重环路结构中的应用也值得关注，通过引入电压外环，可进一步改善系统的稳态性能。尽管单周期控制在某些方面存在局限性，但其简单、快速的特点使其在特定应用场景下具有独特优势。近年来，单周期控制在多电平逆变器中的应用研究也取得了显著进展，通过改进的调制策略和控制算法，有效解决了传统单周期控制在多电平拓扑中的实现难题，拓展了其应用范围。

（三）准谐振比例谐振（PR）控制策略

准谐振比例谐振控制策略通过在传统PI控制器基础上引入谐振器，实现对交流信号的精确跟踪。PR控制器的传递函数可表示为：

其中，KPR为比例增益，Kr为谐振增益，ω0为谐振角频率。PR控制器在基波频率处具有无穷大增益，可有效消除稳态误差，同时保持良好的谐波抑制能力。在光伏并网逆变器中，PR控制策略能够同时实现电流跟踪和谐波补偿功能，提高系统的功率因数和输出电流质量。然而，PR控制器的性能受电网频率波动影响较大。为解决这一问题，可采用自适应PR控制器，通过实时估计电网频率，动态调整谐振频率，保持控制器的高性能。PR控制器与其他控制策略的结合也值得探讨，如与重复控制器级联，可进一步提高系统对周期性扰动的抑制能力。尽管PR控制策略在设计和实现上相对复杂，但其优异的性能使其成为光伏并网逆变器电流控制的重要选择[2]。

（四）重复控制策略

重复控制策略基于内模原理，通过在控制器中引入周期性信号模型，实现对周期性扰动的有效抑制。在光伏并网逆变器中，重复控制可显著改善输出电流的谐波特性，尤其对低次谐波的抑制效果显著。该策略通过利用前几个周期的误差信息，预测并补偿当前周期的误差，实现系统性能的逐周期改善。然而，重复控制器的设计需要权衡系统的稳定性和谐波抑制能力。为提高控制性能，可采用自适应重复控制算法，根据系统运行状态动态调整控制参数。此外，重复控制与其他控制策略的结合也是研究热点，如与PR控制器并联，可同时获得良好的瞬态响应和稳态性能。在数字实现过程中，需注意采样频率和系统周期之间的关系，以确保重复控制器的有效性。尽管重复控制在某些方面存在局限性，如对非周期性扰动的抑制能力较弱，但其在处理周期性扰动方面的独特优势使其成为光伏并网逆变器电流控制策略中不可或缺的一员。

结束语

综上所述，文章系统地探讨了光伏并网逆变器的电流控制策略，从PI控制到重复控制，涵盖了多种先进的控制方法，不同的控制策略在系统性能、实现复杂度和适用范围等方面各有特点。未来的研究方向可进一步探索智能控制算法在光伏并网系统中的应用，以及如何更好地适应复杂多变的电网环境，推动光伏发电技术向更高效、更可靠的方向发展。

参考文献：

[1]万立宇.单相光伏并网逆变器控制策略的研究[D].安徽：安徽理工大学，2023.

[2]梅继超，廖冬初，蔡华锋.光伏并网逆变器电流控制策略的研究[J].电气传动，2017，47（10）：48-53.