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离网型三相光伏逆变器控制策略研究

王要强;谢海霞;曹冲;王晓亮

【摘要】以离网型三相光伏发电系统为研究对象,研究其输出逆变环节的拓扑结构

和控制策略.逆变器主电路采用三相半桥拓扑,输出滤波器取三相星形LC结构,控制

策略以输出电压峰值作为闭环变量.仿真和实验结果表明,系统三相输出电压变化平

滑且稳定对称,其幅值和频率能够准确跟踪其给定值.

【期刊名称】《河南科技》

【年(卷),期】2016(000)013

【总页数】4页(P132-135)

【关键词】光伏发电;离网型;逆变器;控制策略

【作者】王要强;谢海霞;曹冲;王晓亮

【作者单位】郑州大学电气工程学院,河南郑州450001;郑州大学电气工程学院,河

南郑州450001;郑州大学电气工程学院,河南郑州450001;郑州大学电气工程学院,

河南郑州450001

【正文语种】中文

【中图分类】TM615

随着煤、石油等化石能源的日渐枯竭与人类生存环境的不断恶化，太阳能、风能等

可再生自然资源的开发利用近年来得到了国内外的普遍重视［1-3］，许多国家已

作出大规模推广太阳能等可再生能源开发利用的决策和规划［4-6］。

光伏发电是太阳能开发利用的主要形式之一［7］，光伏发电系统按照是否与电网

连接可以分为并网型［8-9］和离网型［10-11］两大类。其中，离网型光伏发电

系统可以独立运行，为负载提供稳定的直、交流电压。在距离电网较远的偏僻山区、

无电区、海岛、通讯基站和路灯等场所，离网型光伏发电系统具有重要的理论意义

和工程应用价值。

电力电子功率变换单元作为光伏电池阵列与用户负载的接口单元，是实现光伏发电

系统的核心［12-13］。其中，逆变环节连接系统的直流母线和交流母线，实现直

流-交流变换，并且逆变器作为直接面对用户负载的输出单元，其工作性能直接会

影响到系统的供电质量，是发电系统功率变换的关键。

本文以离网型光伏发电系统的输出逆变单元为研究对象，首先分析其电路拓扑与数

学模型，然后研究光伏逆变器的控制策略，最后通过仿真和实验验证研究内容的正

确性与有效性。

离网型光伏发电系统的基本结构如图1所示，由光伏阵列、升压斩波器、充放电

变换器、储能单元和逆变器等部分组成。光伏阵列由太阳能电池组件构成；升压斩

波器一般由Boost电路构成，完成最大功率跟踪和升压功能；充放电变换器为双

向变换器，和储能单元合起来完成能量缓冲。

逆变器连接系统的直流母线和交流母线，实现DC/AC变换，并且作为直接面对

用户负载的输出单元，其工作性能直接影响到系统的供电质量，是系统功率变换的

关键。逆变环节一般采用半桥电路拓扑，交流输出侧通过滤波器与三相负载相连，

如图2所示。三相半桥拓扑的功率器件由IGBT（V1-V6）和与之反并联的电力二

极管（VD1-VD6）组成。

图3为输出滤波环节的示意图，采用LC低通滤波器，由三相平波电感和滤波电容

通过星形接法构成，连接逆变器三相桥路输出端与三相负载端。图中，uU、uV、

uW表示逆变器输出电压；ua、ub、uc表示负载端电压，也为系统输出电压。

假定图2所示的逆变器主电路三相平衡，滤波电感均为L，滤波电容均为C，功率

器件和滤波器电感的寄生电阻等效为r。由电压、电流基尔霍夫定律（KVL、

KCL），可以得到三相光伏逆变器的电压方程和电流方程分别为：

式（1）（2）中，ia、ib、ic分别为流过三相滤波电感的电流，ioa、iob、ioc分

别为流过三相负载的电流。

由公式（1）（2）可以看出，逆变器交流侧电压、电流三相之间没有耦合关系，

是相互独立的。因此，这里只绘制出三相静止坐标系下电压型逆变器的a相电路

模型框图，如图4所示。由此可得，在控制策略上，可以对三相逆变器的三相输

出电压分别采用三相相互独立的控制策略。

离网型光伏逆变器三相输出电压为交流信号，直接对交流信号进行控制很难实现输

出幅值、相位的无静差控制。在类似应用场合通常采用增加硬件有效值计算模块的

方法，对三相输出电压有效值进行闭环控制。在此，为节约系统成本，降低硬件系

统的复杂性，提高系统可靠性，通过坐标变换，采用纯软件的方法计算输出电压的

峰值，并以交流输出电压峰值作为外环调节变量进行闭环控制。

图5为逆变器闭环控制策略的原理结构图，包括输出电压采集电路、电感电流采

集电路、输出电压峰值计算模块、电压峰值PI闭环调节器、交流电压给定生成模

块以及PWM波形生成模块和开关管驱动模块。