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对于并网系统中的单相光伏逆变器控制

摘要.本文提出了单相并网光伏（PV）系统的控制方案在并网和孤立电网模式下运行方式。控制技术包括光伏并网逆变器的电压和电流控制。在电网连接模式，网格控制PV逆变器输出电压的幅度和频率，以及逆变器的电流控制模式下的工作。电网连接模式中的电流控制器满足两个要求，即（1）在轻负载状态下产生的过量能量从光伏逆变器被馈送到电网和（2）在过载状态或不利的大气条件的情况下的负荷需求是由两个PV逆变器和电网满足。为了将光伏逆变器与电网同步的双传输延迟基于锁相环（PLL）被使用。另一方面，分离的格运转时的PV逆变器在电压控制模式下工作，以保持跨负载上的电压的恒定幅度和频率。为了在PV模块中最佳利用，使用改性的P＆O系最大功率点跟踪（MPPT）控制器使在改变照射和温度条件下得到最大功率提取。该系统的有效性，通过仿真验证以及硬件实现。

关键词.电流控制器; MPPT;光伏; PLL;光伏逆变器;电压控制器。

1. 简介

电能的主要来源是基于碳氢化合物燃料。从化石燃料的发电厂的二氧化碳排放是全球变暖的主要原因。此外，这种能源资源的可用性对于未来的消费是非常有限的。这些都是原因，这吸引了众多研究者在可再生能源方面的工作。在所有可用的可再生能源，太阳能光伏（PV）系统有几个优点，例如清洁能源和向边远地区提供可持续电力的潜力。它们可以安装在住宅或商业络合物满足局部/全负载需求。在这种情况下，由光伏系统产生的电力比负载需求更多，多余的电力可以供给到电网。然而，在网格连接的光伏系统的发展的主要制约因素是 - PV模块的成本和与电网的PV逆变器的接口。因为这些挑战，有必要使用PV模块的能量优化。而且，并网光伏系统的接口需要许多的控制器同时处理许多问题。因此，本文提出的所有所需要的并网光伏发电系统的一个简单的形式发展的控制器。从发电侧开始，一个MPPT控制器被用于最大化太阳能的利用为给定的日照和温度条件。在瞬时最大功率点（MPP）跟踪（MPPT），光伏模块，与DC-DC转换器一起操作。几个MPPT方案已在文献中已经提出了。一些流行的MPPT方案都是扰动观察（P＆O），电导增量法（IC），开路电压，短路电流法等。在IC的方法是基于这样的事实，功率曲线的斜率是零点在MPP处，右边为负和正在MPP的左侧。在文献[9]中，作者声称，这种方法是在大气条件变化较大的情况下，容易出现故障。MPPT的分数短路方法是在文献[10]中被讨论。然而，因为此方法近似于一个恒定比率，其精度不能在变化的天气条件下得到保证。为了克服上述缺点，一些基于人工智能的MPPT控制器已经被提出。但这些方法也有缺点，例如，大的数据存储和大量计算的要求。在所有可用的MPPT技术，P＆O是使用最广泛的MPPT方案由于其简单。在文献[13]中，对P＆O的技术审查已提交。在该方法的操作点振荡围绕MPP引起的能量浪费。这些振荡可以通过减少固定扰动步骤尺寸被最小化，但它需要更多的时间来达到MPP。为了克服这种冲突的情况，具有可变步长的改性P＆O的MPPT算法被提出。作为PV模块的输出是DC，需要电力电子器件将该DC功率转换成AC功率通过电力电网接口，DC-AC逆变器是必需的去实现这些。光伏逆变器与电网的同步在锁相回路（PLL）的帮助下完成。PLL的主要任务是提供一种单位功率因数运行，其包括与电网电压逆变器输出电流的同步。出现了在PLL拓扑分布式发电系统的兴趣日益增加。它是一个电网电压相位检测结构，其需要的是正交电压。在单相的PLL，准确，快速相位估计可以通过相位与电网电压（原始信号），另一种是从它90◦相移处理信号获得的。锁相环，它通过延迟原始信号生成正交信号，被称为一个传输延迟锁相环（DPLL）。这种类型的PLL是简单的，它的瞬态响应在所有可用的PLL方法之间是快速和平稳的。其他方法产生正交电压有希尔伯特变换，公园改造等，这些方法都有缺点，如高复杂性，非线性和比TDPLL响应变慢。这种类型的PLL是简单的,它的瞬态响应速度快且平稳在所有可用的PLL方法之中。其他方法产生正交电压的有希尔伯特变换，公园改造等。所有这些方法都有缺点，如高复杂性，非线性和比TADPOLE[23]响应变慢。基于PLL的人工智能控制器也已经提出，但是它们相对较为复杂，不适合用于光伏逆变器的控制。本文提出了一种单相PLL结构，通过使用传送延迟产生正交信号。常规的TD PLL的主要缺点是其对电网频率变化的敏感性，因为判断假定恒定频率的延迟。这里，改性的TD PLL被建议，它使用两个延迟块，以使DPLL对频率变化更敏感。除了MPPT和电网同步控制器，用于电网光伏系统所需的其他控制器有dcLINK
电压控制器，电流调节器和光伏逆变器电压控制器。许多研究工作一直在网格的面积接口光伏系统中进行。电流控制器用于调节电流，以便它跟随参考电流，而电压调节器用于控制分离的格运转时的PV逆变器的输出电压和频率。有几种技术来控制电流和电压，如PI控制器，滞后控制器，预测控制器和滑模控制器。在参看文献[28]中，提出了一种具有快速响应，但在不同的开关频率的控制器。该预测控制器克服滞后控制器的局限性，因为它有固定的开关频率，但它不能正确地与在大气条件的变化相匹配。一种分析方法在文献[30]中提出了以确定稳定状态的控制参数，但不能被瞬变，这是在光伏系统的自然过程中很容易地实现这种方法。本文使用的PI控制器[31，33]的PV逆变器系统的电流和电压控制。
2.并网屋顶光伏系统
图1显示的是的网格连接的光伏系统的示意图。它包括两个PV模块，两个DC-DC转换器，逆变器，控制器和电网。与MPPT控制器沿所述DC-DC转换器被用来提取从每个PV模块的最大功率。DC到AC转换器，用于光伏系统接口到电网。

锁相环（PLL）调节器，用于光伏逆变器与电网的同步。在电网连接模式，逆变器中的电流控制模式下的电流控制器的帮助下进行操作。而，在网格分离模式下，电压控制器用于维持在所需的水平所需的端电压和频率。

图1 光伏发电系统的网格示意图

图2 光伏电池的等效模型

1. 光伏建模和参数估计

为了分析电网发电系统，有必要通过使用可得自制造商的数据表数据到连接到系统中的PV模块建模。然而，一些光伏模块的建模所需的参数都没有数据表中给出。所有这些参数是从数据表的值估计，然后在建模中使用。一个实用的PV电池的等效电路示于图2

PV电池的特征方程表示为

要估计光伏模块的可用参数和参数在表1中的参数估计的过程下面给出表列：
由于式（1）中的指数项是远大于1，它可以被重新写为

表1 可用和估计光伏组件参数

PV模块的I-V特性有三个显著点：即短路点（0，Isc），最大功率点（Vmpp，Impp），和开路点（Voc，0）在式（2）给出

在MPP中，功率相对于所述衍生物电压的导数为零，

相似的，在短路点，

从方程（5）及（3），Ｉ0可以表示为，

把（8）带入方程（5），得

从方程（4）和（9），得

方程（10）还包含三个未知参数：Rs，Rsh和Vt。因此，对于所有这些参数都需要额外的下面的方程来估计。

在MPP中，功率相对于电压的变化速率能被写成

而且，

最后，五个方程（8），（9），（10），（14）和（15）是要解决计算5个未知参数。可以看出，（10），（14）和（15）在本质上是先验。此外，这三个方程是完全独立的Ｉpv和Ｉ0的，因此，该数值方法的问题减少到三个未知数从三个方程确定：Vt，Rs和Rsh，这可以通过使用高斯 - 塞德尔方法，然后这些值被用于获得Ｉ0的值并且从式（8）和（9）得到Ｉpv的值。案例研究发现使用上述公式光伏模块的参数，而使用从制造商光伏组件进行，玛赫西太阳能，印度（http://www.maharimaharishisolar.com/）,.所提供的数据表上的值列于表2，并随后是估计的参数的值。

表2 数据表和光伏组件的参数估计

4.控制策略

以下控制器被用于单相电网光伏发电系统的发展：

（1）最大功率点跟踪器
（2）电网同步控制器
（3）光伏逆变器控制器

每个控制器上的详细描述在以下小节中逐一给出：

4.1最大功率点跟踪控制

直流 - 直流转换器（升压/降压）起到从PV模块提取最大功率的目的。通过改变占空比由所述源所看到的负载阻抗是变化的，并在峰值功率与源的点匹配。该扰动观察（P＆O）的方法用在这里。这是获得MPP的迭代方法。它测量光伏阵列的特点，然后扰动PV模块的工作点，以获得在方向上的变化。当功率的变化相对于速率电压是零达到最大点。然而，常规的P＆O的主要缺点是，这个过程是周期性重复直到MPP达到。然后，系统振荡在MPP附近。振荡可以通过减少扰动步骤大小最小化。然而，较小的扰动大小减慢MPPT。一种改进的P＆O算法在这里被用作解决这一冲突的问题，如图3所示。这里，代替在整个过程中，二步长（k1和k2，K1gt; K2）相同的扰动大小被使用。光伏模块的工作电压扰动和电源所产生的变化进行测量。如果dp/dV为正时，操作电压的扰动应该在相同的方向上的增量。然而，如果是否定的，则系统的工作点是朝远离MPPT移动并且工作电压应在相反方向被扰动。最初，当误差，即：E = P（N）-P（N-1）是大的算法选择的步长为K = k1具有MPP的快速跟踪。然而，在时刻当Elt;=10W即小于最大功率得百分之八，K2的一个步长被选择为具有在MPP的最小振荡。k1的精确值的选择基于MPP的跟踪时间，它可以计算如下:

设，T = MPPT控制器的最大追踪时间和TS =控制器的采样时间。到达MPP，NS= T/ TS所需的MPPT控制器样品（或迭代）的数量。在最坏的情况下，工作点已经覆盖到从0 V至MAPP V（下标准条款和条件）本Ns个迭代中。因此K1可以计算为，K1= VMPP/ Ns个。到达MPP所需的MPPT控制器样品（或迭代）的数量NS= T/ TS。在最坏的情况下，工作点已经覆盖到从0 V至MAPP V（下标准条款和条件）本Ns个迭代中。因此K1可以计算为，K1= VMPP/ Ns。

然而，为了最大限度地减少在MPP，步骤电源纹波尺寸K2被选择为K1的1/10倍。

4.2电网同步控制器

光伏逆变器和电网之间的同步意味着两个将具有相同的相位角，频率和幅度。为了做到这一点，一个1-phi;锁相环（PLL）被使用。它是一种反馈控制系统，该系统可自动调节本地产生的信号的相位相匹配的输入信号的相位，从而提供一个功率因数操作。在网格光伏系统中的PLL的目标是与电网电压的逆变器输出电流同步。1-phi;PLL的示意图示如下图4。这里将输入到PLL结构是电网电压和输出其相位角。这个相位角被用于产生正弦波其充当参考信号到控制系统。用于同步所需要的时间取决于在PI块参数，如下计算。

从示意图可以观察到，在PLL结构的PI控制器的误差为：

其中，theta;g和theta;分别为网格和PLL的相位角。

为了调PI控制器的参数，输入到PI控制器是围绕一个工作点线性化。在稳定状态的操作中，在PI控制器的误差为零，并在PI控制器的线性误差可通过泰勒级数表示为：

因此，在PI控制器的误差变为

PLL的线性小信号传递函数由下式给出：

这是一个二阶系统，一个实为零。KP是比例增益和KI是积分增益。固有振动频率和阻尼比因此可以表示为omega;N=和。固有振动频率和上升时间为一个二阶系统之间的关系被称为是。描述PI控制器的参数然后可以在上升时间和电网电压振幅来指定，和。为5毫秒的上升时间，与最佳阻尼PI控制器的参数相等，KP=12.75和KI=3.95times;10^-3。然而，如果电网频率与标称50赫兹的不同，从5毫秒延迟块图4中的输出为costheta;g Asintheta;g。假定余弦三角函数被用于计算余弦（theta;），PI控制器的误差变为

它含有一个附加的交流分量（omega;g omega;）弧度/秒，这将导致在PLL的输出，这是传统的传输延迟基于PLL的主要缺点错误。一种改进的PLL被开发来抵消因为输入频率变化产生的的误差。在改进的PLL中，PLL的反馈路径中的余弦使用被其它5毫秒延迟块的正弦函数所取代。与此基于PLL（DTDPLL）双传送延迟，PI控制器的误差变成：

从式（21），可以观察到，由输入频率变化的误差是通过反馈传输延迟块抵消的。这已经通过仿真，在第6节给出验证。

图4 系统的完全控制电路

4.3光伏逆变器控制器

因为光伏系统在两个网格连接和网格孤立模式下操作，其中控制器要求是不同的，因此在以下小节中分别讨论。

4.3a 电网连接模式：在电网连接模式时，PV逆变器作为电流控制源以产生基于参考电流输出电流运行。直流母线电压的调节关于有功功率的光伏组件和电网之间交换的信息。因而直流链路控制器的输出造成有功电流。DC链路电压控制器1-phi;两级光伏逆变器的框图如图4所示，在这里给出的PV逆变器（VDC）感测到实际DC链路电压，并通过第一阶低通滤波器（LPF），以消除开关涟漪。这种滤波后的直流母线电压和参考直流母线电压的差值（V * _dc）被给予一个PI控制器来调节DC链路电压。第n次采样时刻的直流母线电压误差（△Verr）被给出为

在第n个抽样瞬间PI控制器的输出表示为

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