【摘要】随着各行各业的快速发展，电力对我们的生产生活越来越重要。在可再生能源发电领域汇总，光伏并网逆变器的控制技术一直是研究热点。依据单相光伏并网逆变器的特点，在单级式拓扑结构中通过对传统的电压电流双闭环控制方式的分析，提出了一种带直流电流前馈的光伏并网逆变器电流预测控制方法。通过本次研究发现，能够有效提高发电效率，减少并网电流的谐波。仿真和实验结果证明了该方法的有效性和实用性。
【关键词】直流电流前馈；光伏逆变器；预测控制
随着全球化进程的深入，对于环境保护、能源节约越来越重视，尤其是随着生态环境的持续恶化，太阳能以其清洁、高效和永不衰竭的特点在新能源供应中占据重要地位。光伏逆变器是光伏发电的核心设备，其性能的优劣将直接影响发电系统向电网输出的电能质量和系统运行效率。本文提出一种适用于单相并网光伏逆变器的电流预测控制方法，基于PI控制和电流预测控制的双闭环控制结构。
一、光伏并网逆变器拓扑及工作原理
PV和C分别代表光伏电池和直流母线电容，T1-T4是组成H桥逆变器的四个功率开关，L为逆变器输出侧滤波电感，RL代表电感L的等效电阻，Vs为电网电压。由于直接将光伏电池输出的直流电通过逆变器馈入电网，具有电路简单、转换效率较高、成本低及可靠性高等优点，被最广泛使用。
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图1 逆变器主电路图
光伏并网逆变器要同时实现最大功率点跟踪(Maximum power point MPPT)和并网电流控制等多重控制目标。本文采用变步长的电导增量法作为最大功率点跟踪的实现方法，得到逆变器直流电压控制的参考值Vref。由于电网是一个电压源，因而并网逆变器通过控制输出电压，在滤波电感L上产生正弦波电流并注入电网，即工作于电流源模式。并网逆变器通过控制交流电流的相位，在控制有功输出的同时也能控制无功功率。
二、带直流电流前馈电流预测控制对策
常规并网逆变器控制将直流电压误差的PI控制结果作为并网电流指令值的幅值，通过采集电网电压进行锁相处理，使并网电流参考信号与电网电压同相位，其与实测并网电流比较的误差经PI运算，得到输出电压参考值，再经PWM调制生成开关控制信号。通常还会在电流环引入电网电压前馈以抵消电压波动对并网电流的影响。根据图2所示的逆变器输出侧单相等效电路，推导得出电压平衡方程式（1）：
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图3 逆变器电流预测控制图
通过在并网电流参考指令信号中引入直流电流前馈作为修正，有效地减轻了电压外环PI控制器的负担，加快了电压调节的速度。
图4为传递函数的伯德图，显示出系统有较宽的频带宽度，因而上升时间短，动态响应快。同时，系统几乎不存在谐振峰，说明单位阶跃响应不存在超调现象。相比传统的PI控制，在系统稳定的前提下，有效地提高了受控电流的响应速度，在动态过程中也能实现快速跟踪，从而提高电能质量。
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图4 传递函数的伯德图
三、仿真验证及分析
在Matlab/Simulink中对带直流前馈的光伏并网逆变器电流预测控制策略进行仿真验证。图5为系统达到稳态时，带直流电流前馈的电流预测控制的仿真结果，并网电流is和电网电压Vs同相位，跟踪性能良好，电流纹波小，系统稳定性较强。
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图5 电网电压和并网电流波形
图6为并网电流的谐波分析，由于采用单极性倍频调制，谐波主要集中在开关频率及其二倍频率处。提出的带直流电流前馈的电流预测控制下并网电流总谐波畸变率为0.57%，相较于传统PI控制电流畸变率更低。
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图6 并网电流总谐波畸变率
为比较三种控制方法的动态性能，仿真过程设定2.5s时光照强度从1000W/m2突变为800W/m2；5.5s时从800W/m2突变为1050 W/m2。图7（a）为光照强度变化即光伏电池输出功率突变时的仿真结果，从上到下依次为传统PI控制和有、无直流电流前馈的电流预测控制。为比较控制效果，三种控制方法的直流电压外环采用相同的PI参数，即P=3，I=24。2s时三种控制的系统均达到稳态，2.5s时光照强度突然减小，三种控制直流电压的偏移量分别为1.12V，1.2V和0.7V。2.8s时，前两种控制直流电压误差分别为0.3V, 0.25V，而带直流电流前馈的电流预测控制直流电压误差仅有0.02V，到3s时与目标值基本重合，跟踪速度最快。
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图7 直流电压跟踪MPPT参考值
第一次扰动后三种控制恢复稳态的时刻分别为5.4s, 5.2s和4.2s，显然第三种方法效果最好。5.5s时光照强度突然增大，三种控制方法直流电压偏移幅度均超过1.5V，但第三种的偏移幅度最小。再次恢复稳态的时刻分别约为7.8s, 7.4s和7s，第三种控制响应最快，时间最短。图7(b)显示了第一次扰动后恢复到稳态的变化过程，三种控制方法均能有效地跟踪MPPT目标值，5s时直流电压平均值与目标值的误差分别为0.03V, 0.002V和0.001V，显然第三种控制的跟踪效果最好，且波形平滑，波动小。
四、结束语
综上所述，新型的单相并网逆变器电流预测控制方法，特点是将直流电流作为前馈量加入闭环回路，并结合直流电压、电网电压电流共同作用于电流预测函数，减轻了电压外环pt控制的负担，有效地减少逆变器直流电压波动，降低电压稳态误差，进而提高并网电流的波形质量。电流预测控制能有效减少系统响应时间，超调，改善系统的稳态性能及抗干扰能力。
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