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两级式光伏并网逆变系统探究和仿真 　　【摘要】在两级式光伏发电系统中，前级BOOST变换器采用最大功率点的跟踪（MPPT）方法，使光伏电池达到最优状态，最大限度的将太阳能转化为电能；后级网侧逆变器采用双环控制方法，使并网电流与电网电压同频同相，电网功率因数为1。通过PSIM仿真软件，实现了最大功率点跟踪和电流并网。前后级系统可以独立完成各自功能，互不干扰，这种结构更易于系统模块化设计与集成。 【关键词】两级式光伏发电系统；MPPT；双环控制；PSIM 1.引言 太阳能作为一种清洁、可再生能源越来越受到人们的关注。光伏发电系统分为光伏离网发电系统和光伏并网发电系统。前者主要用于偏远地区发电、工业应用以及通信行业；后者主要用在城市的建筑群体上以及大型的荒漠化电站中，光伏并网发电系统已经成为市场的主流[1]。 本文研究的两级式光伏发电系统，前级采用改进CVT启动的变步长扰动观测法实现最大功率点的跟踪。这种方法能够快速跟踪最大功率点，尽可能的减少最大功率点附近的扰动。后级网侧逆变器采用双环控制方法，外环控制直流母线电压UDC，内环控制并网电流，实现并网电流与电网电压的同频同相，即成功并网。这种方案的功率开关器件的开关频率就等于载波频率，输出波形无畸变，易于控制，简单可靠。 2.两级式光伏并网发电系统控制原理 两级式光伏发电系统控制原理如图1所示。控制器1能够实现基于前级BOOST变换器的MPPT控制，控制器2可以完成单位功率因数的正弦波控制和直流母线电压的稳压控制。 图1 两级式光伏发电系统控制原理图 2.1 基于前级DC/DC变换器的MPPT控制 在前级DC/DC变换器中，通过调节BOOST变换器的开关占空比调节其输入电流，光伏电池的输出电压根据电流值的变化及时作出相应的调整。由图1可以看出，通过采样光伏电池输出电流值和电压值，进而通过MPPT控制器内部算法得到光伏电池的工作点电压指令Uref，然后光伏电池的实际电压值减去Uref，经PI调节器生成PWM波，控制半导体开关器件的导通量，调整BOOST变换器的输入电压，最终使光伏电池的功率值达到最大，实现MPPT控制。 本文MPPT控制算法采用改进CVT启动的变步长扰动观测法。首先对光伏电池的开路电压Uo进行采样，设置CVT的启动初值，然后采用扰动观测法，根据自适应调整步长对光伏电池的输出电压Uk进行采样，当时，则对Uk与Ik的采样值相乘，计算出此时的功率值Pk，当两次采样值Uk-1与Uk的差值不为0时，扰动步长进行自适应调整，直至Uk-1与Uk相等时，即找到最大功率点的输出电压Umax。反之，则继续降低光伏电池的输出电压，直到满足。在MPPT算法中，扰动步长的自适应调整原理就是在远离最大功率点的区域，采用较大的步长以加快跟踪速度，尽量减少跟踪时间；在接近最大功率点附近，采用较小的步长以确保跟踪精度。 2.2 光伏并网逆变器的控制 （1）电流内环控制 后级网侧逆变器采用双环控制策略，电流内环的控制框图如图2所示。电流内环主要实现网侧电流的跟踪控制，将给定的正弦波电流参考值Iref与实际并网电流I相减，得出的结果经各控制环节处理后，产生相应的SPWM信号，驱动逆变桥以跟踪网侧电流。其中，GIC（s）为电流内环控制环节，GINV（s）为逆变桥等效环节，此环节中KPWM为逆变器增益，TPWM为逆变器的惯性常数，为三角载波周期的一半；GN（s）为电网电压前馈环节，GT（s）为滤波环节。 电压前馈环节的作用是避免电网电压的波动对输出电流产生的不利影响，即通过恰当的选择GN（s），使电网电压E（s）经过GN（s）对输出电流Io（s）产生补偿作用，以抵消电网电压的扰动作用，扰动作用下的输出为： （1） 所以若选择前馈补偿装置的传递函数，必有Io（s）=0，因此式（1）可以对电网电压的扰动进行全补偿。 对电网电压扰动补偿后的电流内环开环传递函数为： （2）电压外环控制 电压外环的控制框图如图3所示。电压外环是根据功率平衡原理来实现直流母线的稳压控制。其中，GVC（s）为电压外环PI控制环节，可以保持电容电压的稳定，实现无差跟踪；GDI（s）为电流内环等效环节，由电流内环控制环节可知： 为简化控制器设计，可以将上式的三阶系统等效为一个二阶系统，同电流内环控制以典型的Ⅰ型二阶系统设计比例和积分系数Kvp，Kvi。 3.仿真结果分析 两级式光伏并网发电系统的输出特性采用PSIM9.1进行仿真实验，光伏电池模型选用软件自带的光伏电池模型Solar Module（physical model）。系统的仿真模型如图4所示。 图5为基于前级BOOST变换器的MPPT仿真