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1引言
隨著經濟的發展和世界人口的持續增加，太陽能的大規模應用已經成為世界各國共同研究的課題，而光伏并網系統是光伏發電的發展趨勢。作為并網系統的核心部件，并網逆變器的開發已經成為業界關注的焦點問題。目前，市場上主流的逆變器基本上都是通過控制逆變器的輸出電流，來實現并網所要求的逆變器的輸出電壓與電網電壓同頻同相。本文不僅僅單純的控制逆變器的輸出電流，而且增加了直流側穩定電壓的控制，很好的實現了逆變器的輸出功率因數為1，達到逆變器的輸出電壓與電網電壓同頻同相的要求。
2光伏并網系統結構
光伏發電系統可以分為獨立光伏系統和并網光伏系統。并網發電系統的結構框圖如圖1所示。
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圖1中，CHO為帶最大功率控制的DC/DC升壓開關電路，右側交流輸出部分為含LC濾波器的三相PWM逆變器（INV，以下簡稱逆變器）。逆變器的輸出電流為i0，波形為不含直流成分的正弦波，且功率因數控制為1。本系統的濾波電容Ca上流過的電流為ic，通過直流電壓ed的控制，使i0變化，在滿足上述指標下，得到一種線性化直流控制規律。
3光伏并網逆變器的設計
3.1光伏系統對并網逆變器的要求：
（1）將光伏電池的直流電轉換成適合電網的交流電，功率因數近似為單位功率因數。
（2）實現系統的安全保護要求，如輸出過載保護、輸出短路保護、輸入接反保護、直流過保護、交流過壓保護和欠壓保護、“孤島”保護等，從而確保系統的可靠性。
（3）最大功率點的跟蹤，最大限度的利用太陽能電池，以提高逆變器的效率。
3.2逆變器主電路的設計
并網逆變器按控制方式可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電壓控制四種。本文所采用的逆變器類型是電壓源輸入、電流源輸出的控制方式。逆變器的主電路如圖2所示。
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3.3使逆變器輸出功率因素為1的控制
如圖1所示，在不考慮電網側電壓Us情況下，cos φ=1的控制主要是指如何使i0和檢測出的Ua同相位，由逆變器交流輸出可以寫出如下關系式：
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當太陽能電池的輸出功率減小，亦即電流ia減小時，輸出電流i0將主要由電容Ca供給放電電流ic，則cos φ=1的控制如圖3虛線部分所示。ia是由ea直接控制的，故ia控制是主要的控制環節。利用Ua進行前饋控制，則ea的指令值可表示為
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控制的目標是使ea和ea*相等，亦即
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式中，.png){kind=small}
。T(S)為ia的閉環傳遞函數，再由公式（2）可求出電流指令ia*，由ic=ia –i0的前饋控制，得到：ia*=i0* +ic。
再看i0控制環節，i0的傳遞函數為
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式中，i0*=I0* sinωt，且設i0*和Ua同相，再把.png){kind=small}
代入式（3）得
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式中，i0*和電網電壓Us均作為輸入了來考慮，設T(S)=1時，則i0將不受Us的影響，而一直保持與i0*一致下面再對電流補償環節Gi(S)進行。因i0*中含有電網電壓Us的角頻率ωs成分，則Gi(S)在ωs時的增益為無窮大，設通用內環數模的傳遞函數為
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則在ω=ωs時T(S)=1，相位為0。其控制結果可做到cos φ=1。Gi(S)的系數由式（4）來求取，當穩定時，ω≤ωs，T(S)≈1或選為T(S)=0；當過渡過程變化不太快時，功率因數亦可認為為1。
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3.4直流電壓穩定的控制
逆變器直流輸出回路方程式及直流與交流功率的關系式如下：
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設直流電壓控制系統的外部干擾為icp，由式（6）可見，ed受控于id，而由式（7）可見，id可通過eaia進行控制。ia雖可通過ea控制，但具有耦合性，故不能單獨控制，需將式（6）、式（7）通過顯性化處理后才能進行。由于對象是單相逆變器，故ea將按周期為1/2fs產生脈動（fs為電源頻率fs=ωs /2π）。控制時應使es在1/2fs時的平均值為0，即可消除逆變器輸出的直流成分。前述采樣器S/H的周期設定為1/fs，則Ed的直流成分將按平均值來控制。若以ia的相位作為基準，則按式（7），直流成分作可線性化處理（△表示在采樣周期內）
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假設ea和ia的相位變化Δφ很小，則cos Δφ≈1，sinΔφ或Δφ接近0。此時，認為cosφ0(Ea0+Δ Ea)和Ia0+Δ Ia0為同相位。這里，ed和id的直流成分為Ed、id0，ea和ia的振幅值為Ea、Ia。
在一個采樣周期內，ic的振幅變化量Δic非常小，故產生的ΔUa也很小，可以忽略不計。至于增量Δ Ea和Δ Ia間的關系，可用以下公式來表示，即.png){kind=small}
。基于圖3，考慮上述關系后，可繪出電壓控制環節在平衡點附近的框圖，如圖4所示。該圖中，關鍵部件是電壓補償器GV(S)。
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GV(S)在設計時是考慮到太陽能電池為特殊電源，其發電量由于日照和溫度的影響緩慢地變化；電壓控制的帶寬是考慮到T(S)和S/H為1的情況下來選定頻域的，因此該控制系統可簡化為一階慣性，即
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3.5仿真結果
在確定了控制方法的有效性后進行了仿真研究。如圖3所示，系統中電流控制器Gi(S)選用標準型號ITAE，控制器的頻帶寬為500rad/s，則可定出常a3=0.59，a2=69，a1=3.4×104，a0=2.1×106。GV(S)電壓控制器的帶寬選為25rad/s，其放大系數和時間常數分別為KPV=0.1，TV=0.5。系統中逆變器的開關頻率選為18kHz，采用SVPWM矢量控制的方法產生PWM波形對逆變器進行控制。
圖5為控制逆變器輸出電流的SVPWM子模塊。通過電壓、電流雙閉環回路產生控制并網逆變器的PWM波。
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圖6為在SVPWM控制下的逆變器穩態工作時的仿真結果。從圖中可以看出，當整個系統處于穩態運行狀態時，可得到功率因數為1的畸變很小的交流電流ia。由于系統中直流電流的調節作用，ia幾乎與光伏電池發電量的大小無關。雖然光伏電池的發電功率會時刻變化，但是電壓環節仍然能穩定可靠的工作。
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4結論
該逆變器控制系統的特點為：不僅單純地控制交流電流，而且附加了穩定直流電壓的控制。通過研究得出了以下的結論：
（1）電源側的輸出電流與太陽能電池發電大小無關，即使過渡過程中也能保cos φ=1。
（2）輸出電流ia的直流成分得到了有效的控制。
（3）電壓控制器的非線性模型經過線性化的設計，保證當電池板的發電量變化時，交流輸出電流恒定，確認控制系統是穩定的。
（4）采用了SVPWM的控制方案，大大提升了系統的性能。
