光伏并网逆变器控制策略概述

光伏并网逆变器的控制策略是光伏系统并网控制的关键。由于光伏并网发电系统存在诸如单级式、多级式以及单相、三相等多种拓扑结构，因此光伏并网逆变器的控制策略应涉及多种开关变换器的控制。然而，无论何种拓扑结构的光伏并网逆变器，都不能缺少网侧的DC-AC变换单元，即并网逆变单元。实际上，即使对于具有两级变换的光伏并网逆变系统，其前级DC-DC变换器和后级DC-AC变换器之间一般均设置一个足够容量的直流滤波电容，该直流滤波电容在缓冲前、后级能量变化的同时，也起到了前、后级控制上的解耦作用。因此，对前、后级变换器的控制策略一般可以独立地进行研究。一般而言，在具有两级变换的光伏并网逆变器系统中，前级的DC-DC变换器主要实现最大功率点跟踪（MPPT）控制，而后级的DC-AC变换器（并网逆变器）则有两个基本控制要求：一是要保持前后级之间的直流侧电压稳定；二是要实现并网电流控制（网侧单位功率因数正弦波电流控制），甚至需根据指令进行电网的无功功率调节。可见，网侧逆变器是光伏并网发电系统的核心。为讨论方便，本章讨论的光伏并网逆变器的控制策略中不涉及有关MPPT的控制策略，而只研究并网逆变器的变流控制策略。为了便于系统研究并网逆变器的控制策略，本章以三相并网逆变器为主进行讨论，之后介绍单相并网逆变器的控制策略。

图5-1所示为简单的单级式三相光伏并网逆变系统的拓扑结构，显然，并网逆变器实际上是电力电子技术中的有源逆变器，由于并网逆变器一般采用全控型开关器件，因此并网逆变器也可称为PWM并网逆变器。

对于并网逆变器而言，典型的并网控制策略是通过对逆变器输出电流矢量的控制实现并网及网侧有功、无功的控制。并网逆变器交流侧稳态的矢量关系如图5-2所示。

图5-2中，E表示电网电压矢量，U_L表示滤波电感L上电压矢量，U_i表示逆变器桥臂输出即交流侧的电压矢量，I表示输出电流矢量，图中忽略了输出滤波电感L上的等效电阻R。

图5-1 单级式三相光伏并网主电路图

图5-2 逆变器交流侧稳态矢量关系

a）纯电感特性运行 b）单位功率因数逆变运行 c）纯电容特性运行 d）单位功率因数整流运行

由图5-2所示的矢量图不难分析出相应的矢量关系，即

U_i=U_L+E （5-1）

考虑到稳态时∣I∣不变，则∣U_L∣=ωL∣I∣也不变，此时并网逆变器交流侧电压矢量的端点形成一个以矢量E端点为圆心和以∣U_L∣为半径的圆。显然，通过控制并网逆变器交流侧电压矢量的幅值和相位即可控制电感电压矢量的幅值和相位，进而就控制了输出电流矢量的幅值和相位（U_L=jωLI）。

实际上，当控制并网逆变器的输出电流并使其与电网电压同相位时，便实现了单位功率因数运行；而当控制并网逆变器的输出电流并使其超前于电网电压时，便实现了并网逆变器在并网发电的同时还可向电网提供无功补偿。可见，通过控制逆变器的输出电流矢量即可实现并网逆变器输出有功功率和无功功率的控制。

总之，并网逆变器并网控制的基本原理可概括为：首先根据并网控制给定的有功、无功功率指令以及电网电压矢量，计算出所需的输出电流矢量I^∗；再由式（5-1）并考虑到U_L=jωLI即可计算出并网逆变器交流侧输出的电压矢量指令U_i^∗，即U_i^∗=E+jωLI^∗；最后通过SPWM控制或SVPWM控制使并网逆变器交流侧按指令输出所需电压矢量，以此进行逆变器并网电流的控制。

上述的并网控制方法实际上是通过控制并网逆变器交流侧输出电压矢量来间接控制输出电流矢量的，因而称为间接电流控制。这种间接电流控制方法无需电流检测且控制简单，但也存在明显不足：①对系统参数变化较为敏感；②由于其基于系统的稳态模型进行控制，因而动态响应速度慢；③由于无电流反馈控制，因而并网逆变器输出电流的波形品质难以保证，甚至在动态过程中含有一定的直流分量。(www.xing528.com)

为了克服间接电流控制方案的上述不足，提出了直接电流控制方案。直接电流控制方案依据系统动态数学模型，构造了电流闭环控制系统，不仅提高了系统的动态响应速度和输出电流的波形品质，同时也降低了其对参数变化的敏感程度，提高了系统的鲁棒性。

在直接电流控制前提下，如果以电网电压矢量进行定向，通过控制并网逆变器输出电流矢量的幅值和相位（相对于电网电压矢量），即可控制并网逆变器的有功和无功功率，从而实现逆变器的并网控制。由于是相对于电网电压矢量位置的电流矢量控制，因而称其为基于电压定向的矢量控制（VOC）。

可见，VOC是在电压定向基础上，通过输出电流矢量的控制，实现对并网逆变器输出有功和无功功率的控制。实际上，如果在电压定向基础上，不对输出电流进行控制，而是对并网逆变器的有功和无功功率进行直接控制，也可以实现逆变器的并网控制。这种在电压定向基础上的并网逆变器的直接功率控制（DPC）一般称为基于电压定向的直接功率控制（V-DPC）。

上述VOC和V-DPC两种并网逆变器控制策略的控制性能均取决于电网电压矢量角度的准确获得，获得电网电压矢量角度的一般方法是：首先检测电网电压瞬时值e_a、e_b、e_c，再由三相静止坐标系（abc）到两相静止坐标系（αβ）的坐标变换，获得其在αβ坐标系下的表达式e_α、e_β，从而获得电压矢量的位置角γ，即

上述电压定向方法的不足在于：由于实际的电网电压并非是理想的正弦波电压，即电网电压除基波分量外还含有丰富的谐波分量，因此使得电网电压的检测值中除基波分量外还包含谐波分量，这样就使得电压定向出现偏差，从而降低了系统有功、无功的控制性能。

解决以上不足的方法有两种：一种可行的解决方法是加入基于电网电压基波的锁相环（PLL）技术，以期实现对电网电压基波分量进行定向，但这需要对锁相环进行动态响应与稳态精度的折中设计，定向好坏取决于锁相环的设计性能；另一种简单的解决方法是，采用虚拟磁链进行定向，由于虚拟磁链实际上是电网电压的积分，而积分的低通特性对电网电压中的谐波分量有一定的抑制作用，从而有效克服了电网电压谐波对矢量定向精度的影响。

总之，根据矢量定向和控制变量的不同，并网逆变器的控制策略可以归纳成如下4类：①基于电压定向的矢量控制（VOC）；②基于电压定向的直接功率控制（V-DPC）；③基于虚拟磁链定向的矢量控制（VFOC）；④基于虚拟磁链定向的直接功率控制（VF-DPC）。

相应的控制策略的分类关系如图5-3所示。

图5-3 并网逆变器控制策略的分类关系

由于基于电压定向的矢量控制（VOC）和基于虚拟磁链定向的矢量控制（VFOC）都是基于电流闭环的控制策略，而基于电压定向的直接功率控制（V-DPC）和基于虚拟磁链定向的直接功率控制（VF-DPC）则都是基于功率闭环的控制策略，因而本章将上述四种控制策略分为基于电流闭环的矢量控制和基于功率闭环的直接功率控制两大类进行介绍。

另外，在光伏并网系统中，对逆变器并网电流的谐波有严格的限制要求，即要求并网电流的总谐波畸变率（THD）足够小（一般要求并网电流的THD≤5%）。因此并网逆变器的输出滤波器设计就极为关键，对于小功率并网逆变器，由于开关频率较高，一般常采用L型或LC型滤波器，对于大功率并网逆变器，由于开关频率不高，为有效降低滤波器体积和损耗，则常采用LCL型滤波器。然而，这种采用LCL型滤波器设计，减小了系统阻尼，甚至会导致并网逆变器的振荡，为有效解决这一问题，改善并网逆变器的动态性能，本章还介绍了针对基于LCL型滤波器的并网逆变器的无源阻尼和有源阻尼两类控制策略。最后本章简单介绍了单相并网逆变器的控制策略。