1 引言
目前，傳統單級式或多級式太陽能光伏并網系統結構存在的不足有：并網逆變器開關管工作頻率相對較高，損耗較大;為了逆變器正常工作，光伏電池需串聯到足夠的電壓等級，不僅使開關管電壓應力高，而且系統的可靠性降低，系統抗電池局部陰影能力減弱;采用集中式MPPT，將嚴大型光伏并網系統，為提高系統的可靠性及效率，避免更多的太陽能光伏電池串聯，文獻提出了一種階梯波與電流瞬時值反饋混合控制的級聯逆變器來實現光伏并網發電。在此基礎上，對基于混合控制的級聯逆變器光伏發電系統控制策略進行了分析，對瞬時值反饋單元雙環控制參數進行了設計，為基于混合控制級聯逆變器的光伏系統的設計與實現提供了理論參考，并通過實驗驗證了理論分析的正確性。
2 光伏并網發電系統控制策略
2.1 控制系統結構
基于級聯逆變器兩級式光伏并網發電系統的拓撲結構如圖1所示。圖中前級是DC/DC雙管交錯式Boost電路，后級是由2H橋組成的級聯逆變器。電路由N+M個2H橋單元級聯而成。第1～N個2H橋為階梯波控制，第N+1～N+M個2H橋單元為電流瞬時值反饋倍頻移相SPWM控制或電流滯環跟蹤控制。限于篇幅，此處僅對階梯波與電流滯環混合控制系統進行分析。
圖2為階梯波與電流滯環跟蹤混合控制框圖。第1～N+1 DC/DC變換器單元將光伏電池陣列電壓進行升壓并完成對光伏電池的MPPT。第1～
N2H橋單元為梯形波控制，第N+1個2H橋單元為電壓電流雙環控制，電流內環為滯環控制。鎖相環(PLL)使并網電流iL與電網電壓ug同相位，PLL電路給出的參考基準乘以電壓外環的輸出，即為電流內環的輸入參考電流。該電流與iL比較的誤差信號通過電流放大器放大后經滯環控制，產生第N+1 2H橋單元控制信號。第N+1 2H橋單元輸出電壓us(N+1)應與第1～N 2H橋單元輸出的階梯波電壓同相，通過PLL，DSP計算出導通脈沖，使前N～1個逆變器單元的輸出電壓寬度分別為(θN～π-θN)，(θN-1～π-θN-1)，…，(θ1～π-θ1)，即工作在不同的模式。
2.2 級聯逆變器單元的控制策略
圖2中，計算出直流母線電壓參考值與采樣得到的實際電壓值誤差，再通過一個比例積分環節得到DC/AC逆變器輸出電流的幅值指令Iref，然后將Iref與電網電壓同步的單位正弦信號sin(ωt)相乘得到輸出電流指令值Irefsin(ωt)，再將Irefsin(ωt)與采樣值的誤差通過電流調節器后，經滯環比較后通過驅動電路去控制第N+1 2H橋單元DC/AC逆變器的開關管。
當ug與iL同相時，逆變器輸出電壓在相位上超前于ug。故第1～N2H橋單元輸出的階梯波電壓應與瞬時值反饋控制的2H橋單元的輸出電壓us(N+1)同相，通過PLL給出與us(N+1)同相的階梯波基波電壓，然后由DSP實時采樣第1～N2H橋單元直流母線電壓，計算出各2H橋單元導通脈沖。
3 瞬時值反饋單元雙環控制分析
3.1 瞬時值反饋級聯逆變器單元電流內環設計
電流內環采用三態DPM電流滯環控制，控制框圖如圖3所示。
按I型系統設計電流調節器。除考慮電流內環快速跟蹤性能，對于并網逆變器雙環控制系統，電流內環帶寬至少為電壓環帶寬的5～10倍。當輸出電感為25 mH，電感等效電阻取為0.4 Ω時，Ts取0.1 ms時，ki取16。采用單P環直接電流控制的電流內環頻率響應和階躍響應如圖4所示。
由圖4a可見，電流閉環帶寬大于基波頻率的10倍，對于基波電流跟蹤穩態精度高;由圖4b可見，電流閉環響應速度很快，不到1 ms。對于電壓外環而言，電流內環可等效為一受控電流源，其傳遞函數可表示為圖3b。
3.2 瞬時值反饋級聯逆變器單元電壓外環設計
設瞬時值反饋單元直流輸入功率為級聯逆變器總的輸出功率，即饋入電網功率的λ(λ<1)倍，忽略逆變器的損耗，認為逆變器直流輸入功率等于輸出功率，即：。
圖5為電壓外環控制框圖。
圖中一階低通濾波器GLPF用來濾除直流側電容電壓中的諧波成分，使其不參與反饋。PI調節器設為：Gv=Kpv(τpvs+1)/s，低通濾波器設為：GLPF=1/(TLPFs+1)，則電壓開環傳遞函數為：
將逆變器設計為典型的Ⅱ型系統：取TLPF=T2=10ms，λ=0.435，Udc(N+1)=160V，kif=0.2，CN+1=5600μF，則有Kd≈0.42，Kpv≈3.2，PI調節器的比例系數為0.16。將設計出的參數代入式(3)，可得電壓外環的頻率響應及階躍響應如圖6所示。由圖6a可見，系統可等效為一截止頻率為18.8 Hz(閉環帶寬)的低通濾波器，能很好地抑制母線電壓諧波分量，保證了穩態輸入電流質量。由圖6b的母線電壓單位階躍響應可知，電壓調節時間約為80ms。
4 實驗結果
設計了基于3個2H橋單元構成的級聯逆變器的單相10 kWp光伏并網發電系統。前兩個2H橋單元為梯形波控制，在標準光照和環境溫度下，逆變單元輸入直流母線電壓分別為80 V，160 V，第3個2H橋單元為三態DPM電流滯環跟蹤控制，輸入直流電壓為160 V。并網電流濾波電感L=2.5 mH。圖7為基于級聯逆變器的光伏并網系統電流閉環控制實驗結果。由圖可見，并網電流與電網電壓同相位。在光照強度發生變化時，并網電流幅值指令發生變化。圖7a，b分別為電流幅值指令為40 A和60 A時實驗波形，相應并網功率分別為6.22 kW，9.33 kW。即隨著光照強度增強，并網電流和功率增加，實現了對光伏輸出功率點跟蹤。
5 結論
這里提出了通過控制級聯逆變器輸入直流母線電壓值為恒定，來實現輸入電壓控制(功率控制環)和光伏系統并網電流控制(電能質量控制環)的解耦的控制方法，通過仿真及實驗進行了驗證，其結果與理論分析一致。系統實現了對光伏輸出的最大功率點跟蹤，驗證了所提控制方法的有效性。
