5 实验结果
本文为科技部“十五”科技攻关项目“大型光
伏并网电站”采用的系统。根据上述设计研制了一 台 20kW 光伏并网逆变器，系统的实验结果如图 6 所示，图 6a 为 A、B 相电流波形，图 6b 为 A 相电 网电压和 A 相并网电流波形。由图可以看出 A、B 相电流相差 120°，A 相电流和电压可靠同步，并 网功率因数为 1。
Kps+KI
s
If
G1(s)
Gn(s)
Ua
K+
Ts+1 G2(s)
Va
1 Ls+Ra G3(s)
图 5 带前馈补偿的控制系统 Fig.5 A control system with feed-forward
compensation
本文在实际系统的设计中，采用前馈补偿后获 得了极为良好的效果。系统响应速度虽无明显改善， 但却非常明显地减小了超调量。
个高增益的小惯性环节，该环节的传递函数为
G2(s)Fra bibliotek=K Ts +1
电流环一般采用 PI 控制方式，可以得出并网逆 变系统的 PI 控制系统结构图，如图 4 所示。对控制 系统而言，Ua 为电网电压，可视为系统的扰动输入， I*为电流指令值。
74
电工技术学报
2005 年 5 月
Ua
I*+
Kps+K1
王 飞等 太阳能光伏并网发电系统的研究
73
某一确定电压值，然后扰动太阳电池输出电压值 (UPV +∆U)，再测量输出功率的变化，与扰动之前的 功率值相比。若输出功率值增加，则表示扰动方向 正确，可向同一方向以+∆U 为步长再扰动；若扰动 后的功率值减小，则向反方向以−∆U 为步长再扰动。 此法的最大优点在于其结构简单，被测参数少，通 常被较普遍地应用于光伏系统最大功率点的跟踪控 制。通过不断扰动使阵列输出功率趋于最大，寻优 过程如图 2b 所示。
光伏阵列的特性曲线如图 2a 所示，阵列工作点 不同决定了它的输出功率也不同。光伏阵列最大功 率点跟踪的原理是：通过检测光伏阵列在不同工作 点下的输出功率，经过比较寻优，找到光伏阵列在 确定日照和温度条件下输出最大功率时对应的工作 电压。具体实现方法如下：首先使光伏阵列工作于
第 20 卷第 5 期
Keywords：Photovoltaic grid-connected, feed-forward, MPPT
1 引言
从能源的角度看，太阳能必将实现其从补充能 源向替代能源的角色过渡，太阳能发电将逐渐从无 电地区向有电地区发展。光伏并网发电是太阳能利 用的发展趋势，除大型光伏并网电站外，光伏发电 系统将愈来愈多地用于调峰电站和屋顶光伏并网电 站。目前美、德等发达国家已经推出了规模较大的 屋顶光伏并网发电计划，预计美国在 10 年内将安装 总容量为 3000MW 的太阳能屋顶并网电站，作为屋 顶并网发电计划核心的并网逆变系统也将越来越多 地得到更多的关注。本文从光伏系统的特点出发， 分析了并网系统的工作原理、研究了系统的最大功 率跟踪问题，同时建立了控制模型，最后通过实验 验证了方案的正确性。
dI
L
a
dt
= Va
−Ua
− Ia Ra
式中 Ra——线路内阻 写成复数域形式为
Ia (s)
=
1 Ls + Ra
(Va (s) −U a (s)) = G3 (s)(Va (s) −U a (s))
式中 G3 (s) ——滤波器传递函数
忽略功率器件 VT1～VT6 及死区时间的非线性
影响，SPWM 控制方式下的桥式逆变环节可视为一
La Lb Lc
ia ib ic
Ua
Ub 0 Uc
图 1 主电路拓扑结构
Fig.1 The power circuit
系统采用三相桥的电路结构，逆变电压通过电 感与电网相连，实现光伏系统的并网运行。并网运 行模式下，系统的控制目标是使逆变器输出之正弦 波电流的频率和相位与电网电压的频率和相位相 同，电流的大小由光伏阵列输出的功率决定。 2.2 光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）
3 系统模型
图 1 中，定义 A 桥臂上管通下管断时 Sa=1，下 管通上管断时 Sa=0。同理，按此规则定义 Sb、Sc。 控制三相桥臂的开关状态，可以使并网电流实现功 率因数为 1 的正弦波。
直流电流方程为
c
du dt
=
Id
− I sp
=
Sa
×Ia
+ Sb
×Ib
+ Sc
×Ic
− I sp
如果忽略 PWM 的高次谐波，可以将开关函数
Id = Sa × Ia + Sb × Ib + Sc × Ic = m sin(ω t + α ) × I m sin(ω t +θ ) + m sin(ω t +α − 2π 3) × I m sin(ω t +θ − 2π 3) + m sin(ω t +α + 2π 3) × I m sin(ω t +θ + 2π 3) = 3 2 mI m cos(α −θ )
3 唐炬，宋胜利，孙才新等．局部放电离散谱干扰的小 波 包 变 换 熵 阈 值 抑 制 法 ． 电 力 系 统 自 动 化 ， 2003 ，
23(5)：128～131 4 崔雪梅，孙才新，李新等．实小波与复小波变换对局
部放电在线监测中提取信号特征的特点研究. 电工技 术学报，2004，19(7)：90～94 5 许高峰，孙才新，唐炬等．基于小波变换抑制 GIS 局 部放电监测中白噪干扰的新方法研究. 电工技术学 报，2003，18(2)：87～90 6 Mallat S ， Zhang Z. Matching pursuits with timefrequency dictionaries ． IEEE Trans on Signal Processing， 1993，41(12)：3397～3415 7 邱昌容，王乃庆．电工设备局部放电及其测试技术. 北京：机械工业出版社，1994 8 何正嘉，赵纪元．机械设备非平稳信号的故障诊断原 理及应用．北京：高等教育出版社，2001
控制系统的增益可以取得小一些，这利于系统的稳
定性。
前馈补偿后的控制系统如图 5 所示，此时，扰 动作用下的误差为
E0
(s)
=
−I
a
(s)
=
−
G3
(s)[1+ G2 (s)Gn 1+ G(s)
(s)]
U
a
(s)
若令
Gn
(s)
=
−
1 G2 (s)
，则
E0
(s)
=
0
，从而在理
论上达到了全补偿的要求。
I* +
因此，系统控制模型可以建立为如图 3 所示。
sinω t
MPPT Im I *+
+ G1(s)
If
Ud
1 Cs
Gn(s)
K Ts+1
+
Un
1 Ls+R
3 2
mcos(α
-β
)
Isp 图 3 系统控制模型
Fig.3 The control model of system
4 系统控制
取并网电流为状态变量，对于 a 相电流有
4 Sallameh Z, Taylor D. Step-up maximum power point tracking for photovoltaic arrays. Solar Energy,1990, 44(1)：57
5 王飞等. 具有 MPPT 功能的光伏充电系统的研究. 太 阳能学报，2003，（增刊）：98～100
Sa、Sb、Sc 看成是角频率为ω、相角为α、幅值为 m 的正弦函数，如果只考虑开关函数的基波分量 S1a、 S1b、S1c，则有
S1a = m sin(ω t + α ) S1b = m sin(ω t +α − 2π 3) S1c = m sin(ω t + α + 2π 3) 设电网相电压和并网相电流之间的相角为θ，则 I a = I m sin(ω t +θ ) I b = I m sin(ω t +θ − 2π 3) I c = I m sin(ω t +θ + 2π 3) 式中 Im——相电流的幅值 当只考虑开关函数的基波分量时，则有
仿真和实验数据证明该方法在局部放电脉冲 信号的信息提取方面有很好的应用前景。
参考文献
1 黄成军，郁惟镛．基于小波分解的自适应滤波算法在 抑制局部放电窄带周期干扰中的应用．中国电机工程 学报，2003，23(1)：107～111
2 唐炬，孙才新，彭文雄等．GIS 局部放电检测中的小 波包变换提取信号．电力系统自动化，2003，28(5)： 25～29
Wang Fei Yu Shijie Su Jianhui Shen Yuliang （Hefei University of Technology Hefei 230009）
Abstract A photovoltaic grid-connected inverter with maximum power point tracking (MPPT) is proposed. The control model of system is founded by the technology of grid voltage feed forward and current tracking. In this system, sine wave grid connected current and unity power factor are realized. The experiment proves the control concept described in this paper.