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使用前馈控制回路作用于NPC逆变器电流的并网光伏系统动态性能改进
Leonardo Bruno Garcia Campanhol, Sergio Augusto Oliveira da Silva acute; , Member, IEEE,
Azauri Albano de Oliveira, Jr., Vinacute;ıcius Dario Bacon
摘要：本文提出了一种采用中性点钳位（NPC）逆变器实现的三相并网光伏（PV）系统。 由于PV阵列不断遭受突然的太阳辐射变化，提出了当前的前馈控制回路（FFCL）来改善PV系统的动态特性，这导致了直流总线中的电压振荡，从而干扰了适当的PV 系统运行。 由于目前的FFCL用于加速逆变器电流参考值的计算，因此提高了注入电网的电流的动态响应。因此，直流母线电压的动态特性也得到提高，降低了稳定时间和过冲。 除了向电网注入有功功率之外，光伏系统也被控制为执行有功电力线调节，从而抑制负载谐波电流以及负载无功功率的补偿。 然而，NPC变频器必须正确设计，以确保不会超过额定功率，因为基极和非基极电流分量均流经并网逆变器。 提出了基于数字信号处理器的广泛实验结果，以评估光伏系统的有效性以及静态和动态性能。
关键词 ： 有源电力线调节，前馈控制回路（FFCL），光伏（PV）系统，三电平中性点钳位（NPC）逆变器。
一、引言
近年来，由于电力需求不断增长，基于可再生能源（RES）的电能发电量大幅度增长，达到与传统发电污染源引进的环境和经济影响减少有关的目标 。 因此，传统的发电设置发生了变化，突显了水电，生物质能，风能，太阳能等RES的使用。
关于使用太阳能，这已经通过将光伏（PV）能量转换成电能来采用。 此外，这种形式的能源生产可以被认为是清洁的，从而产生减少的环境影响，因为废物仅在制造过程中产生或在处置中产生。 因此，在现有的各种RES中，认为通过光伏系统的发电被认为是有希望的。
通常，需要一个或两个功率转换级来组成并网的PV系统。 在双级光伏系统中，一个功率级是直流/直流转换器，另一个是直流/交流转换器[1] - [4]。 在这种情况下，DC / DC转换器执行最大功率点跟踪（MPPT）控制，而dc / ac转换器将PV系统连接到电网并执行电流控制。
另一方面，在单级并网光伏系统[5] - [12]中，MPPT和逆变器电流的控制环路同时在一个功率转换阶段进行。 结果，功率损耗减小，因此，系统效率增加[7]。 此外，MPPT控制回路（直流总线控制回路）的速度必须比电流控制回路慢得多，以确保注入到电网中的不失真电流[12]。
不均匀的日射和/或温度变化干扰了PV系统产生的能量的量。 因此，独立于PV系统布置，已经开发了用于实现MPPT的技术[12] - [15]，其中跟踪因子[15]，复杂性和动态响应是用于评估和/或比较的一些主要因素 MPPT算法。
光伏阵列也遭受突然的太阳辐射变化。 在这种情况下，直流总线电压幅度变化，并且可能发生直流总线电压中的振荡。 因此，由于使用直流总线功率平衡来控制注入到电网中的逆变器电流的幅度，因此可能会影响光伏系统的性能。 换句话说，直流母线中的大电压变化会干扰瞬态期间并网逆变电流参考电压的计算。
文献中提出的大多数MPPT技术不考虑或讨论太阳辐照度突然变化对光伏系统性能的影响。 在[5]中，提出了一种前馈电流（FFC）控制回路，使得光伏系统的动态独立于分布网络和负载。 然而，太阳辐射突然变化对光伏系统性能的影响尚未得到应对。 在[7]中，考虑到在部分阴影下运行的单级光伏系统实施MPPT技术。 虽然对MPPT技术的性能进行了评估，但是没有采用程序来缓解与快速辐照度变化有关的问题。在[13]中提出了一种基于功能的MPPT方法，以便考虑到启动，稳态和动态响应方法的性能，考虑到突然的太阳辐射变化。 所提到的功能用于确定用于实现MPPT的dc / dc转换器的占空比。 另一方面，直流母线电压的动态特性尚未得到评估，因为在实际的并网光伏系统中，MPPT算法没有经过仿真或实验测试。 在[12]中，提出了一种改进的增量电导MPPT算法，以提高MPPT方法的稳定性，当单级并网光伏系统遭受突然的日变化时。虽然这种改进的MMPT方法用于检测在突发日照时发生PV阵列输出功率的快速下降，但是在上述瞬态期间仍然观察到大的dc-bus电压振荡。 此外，当突发隔离发生时，该MPPT方法不能检测PV阵列输出功率的快速增加
本文提出了一种电流前馈控制回路（FFCL）的实现，该控制回路用于加速逆变器电流参考的计算，从而有助于克服与并网光伏系统中太阳辐射变化突然增加和减少相关的问题。 FFCL不受任何MPPT技术的限制，与变频器直流母线电压控制器配合使用，从而改善了直流母线电压和逆变器电流的动态响应。 因此，在瞬态条件下，沉降时间和过冲/下冲都会降低。 此外，由于逆变器直流母线电压振荡衰减，功率半导体的过压额定值的风险也降低
在本文中，除了将有功功率注入电网之外，光伏系统还执行有功功率线调节任务，包括负载谐波电流抑制和负载无功功率补偿[3]，[6]，[16] 18]。 在这种情况下，PV系统同时处理由PV阵列产生的有功能量以及分别由谐波电流/电压或无功电流引起的非基波和/或基波非有功能量[19]。换句话说，PV系统还能够执行并联有功功率滤波器功能，使得执行有效功率因数（PF）校正。
因此，为了减轻电力质量问题，提高系统效率，本文提出的三相无变压器并网光伏系统采用单级直流/交流电源转换，采用三级中性点 - 钳位（3L-NPC）逆变器[16]，[20]。
电流参考发生器（CRG）算法计算将由并网逆变器合成的参考电流。 一旦有功电源线调节也被考虑，允许以下任务：
1）从能量向电网注入有功功率由光伏阵列产生;
2）负载无功补偿;
3）抑制负载谐波电流。
然而，由于主动调理操作，必须执行交流电流幅度的控制，以避免并网逆变器中过电压的发生[6]，[7]。
用于产生无功电流（谐波和无功分量）的参考的算法是基于同步参考系（SRF）方法实现的。 此外，使用从锁相环（PLL）系统获得的估计的有效电压相位角（theta;）来计算同步单元矢量坐标sin（theta;）和cos（theta;）。
本文组织如下。 在第二节中介绍了光伏系统的描述，包括基于SRF的CRG算法和逆变器电流和直流母线电压控制器。 第三节介绍了FFCL和三相基于功率的PLL系统（3pPLL）的描述。 第四节介绍了3L-NPC逆变器的控制器设计，其中实现了电流和电压控制环路的开环和闭环传递函数（TF）。 此外，还提出了用于计算电压和电流控制器增益的程序。 在第五节中，单级三相并网光伏系统的性能和可行性通过扩展实验结果进行评估。 最后，第六节提出了结论。
二、光伏系统描述
图1给出了本文研究的三相无变压器并网光伏系统的完整方案。可以看出，PV系统连接到三相四线系统，其中除了将有功电能注入电网之外，还进行有功电力线调节。 如图1所示，单级光伏系统采用并网3L-NPC逆变器实现，已被广泛应用于涉及光伏系统的应用[2]，[8]，[10]。
由于在光伏系统中使用单级功率转换，因此光伏阵列直接连接到逆变器直流母线。 串联的光伏阵列由20个串联的太阳能电池板组成。 在标准测试条件下，每个面板在最大功率点（MPP）的电压约为30.8 V，导致PV阵列输出端子的总直流总线电压约为616 V。 因此，PV阵列和逆变器dc-bus之间的直接连接是可能的，并且不需要使用任何dc / dc升压转换器。 因此，涉及功率转换级的能量效率增加，并且整个系统成本降低。
图1.单级三相并网光伏发电系统的完整方案
图2.基于SRF的CRG算法框图
NPC逆变器通过电感耦合滤波器（L滤波器）连接到公用电网。 由于NPC变频器是电流控制的，所以在图1所示的控制系统中计算其电流参考值。所有用于生成逆变器电流参考（基于SRF的电流和PLL）以及交流电流控制回路和其他两个直流母线电压控制回路的算法将在下一节中进行适当的描述。
- CRG算法
在本小节中，CRG由图2所示的算法表示。它用于计算涉及有功和非有功电流分量的适当的并网逆变器电流参考（i * ca，i * cb，i * cc）。如图2所示，有效电流分量由idc和iff表示，而iLdh，iLq和iL0表示非活动分量。
图2中给出的算法基于SRF方法。在这种基于SRF的算法中，测量负载电流并将其从三相静止框架（abc-axes）变换为两相静止框架（alpha;beta;0-轴）。 接下来，这些电流被变换为两相SRF（dq轴）。 这些变换分别由（1）和（2）给出。
在dq轴中，电流iLd由连续和交替分量组成。 连续分量（iLdd c）表示负载基波有功电流，而交替分量（iLdh）表示d轴上的负载谐波电流。 使用a提取数量iLdh高通滤波器（HPF），其实现使用低通滤波器（LPF），如图1所示。 另外，当前的iLd表示负载基波反应分量与q轴中的谐波分量的和，而iL0表示alpha;beta;0-轴中性线的零序分量。 因此，为了在理论上保证统一PF，必须补偿iLq，iL0和iLdh数量。
如上所述，逆变器处理有源和无功电流。 因此，为了保证由PV发电机产生的所有有功能量在没有逆变器超过额定功率的情况下被注入电网，必须控制由iLdh表示的补偿电流的幅度。 为此，本文采用了[6]中采用的策略。
从旋转参考帧dq到alpha;beta;参考帧和从alpha;beta;0参考帧到abc参考帧的逆变换分别由（3）和（4）给出。 因此，获得最终并网逆变器电流参考（i * ca，i * cb，i * cc）。
图3.电流和直流母线控制回路的框图
分别在（3）和（4）中表示的电流idc和idcu可从它们各自的dc总线电压控制器中提取出来，如图3所示。 此外，从FFCL获得（3）中表示的FFC iff。 iff和idc（iff-idc）之间的区别如图3所示考虑到与L滤波器和开关器件相关的功率损耗的补偿，执行PV系统的直流总线有功功率平衡，以及控制需要调节直流母线电压的有功功率。 与FFC控制措施有关的细节在第三部分讨论。
B.电流控制器
在PV系统的abc阶段中使用的电流控制器（比例积分多谐振-PI-MR） 如图3所示，其中物理系统由L滤波器（见图1）的电感（Lf a，b，c）和电阻（RLf a，b，c）以及直流母线电压 vdc / 2）。 NPC反相器脉冲宽度调制（PWM）静态增益由KPWM表示，其计算考虑了PWM三角载波的峰值[22]。
由于只有替代组件构成的逆变器电流参考（i * ca，i * cb，i * cc），所以常规的比例积分（PI）控制器不能保证稳态下的零误差。 因此，采用了PI-MR控制器。 PI-MR控制器的TF由（5）给出，其中由于谐振频率（omega;o）处的无限开环增益，实现了零稳态误差。
在（5）中，kP i和kI i表示当前PI-MR控制器的各自的比例和积分增益; 在特定谐振频率（omega;o=momega;1）处的谐振增益由km表示; omega;1是基本效用频率; 并且作为m = 1,3,5,7和9，选择第一，第三，第五，第七和第九分量作为共振项。 一阶分量（m = 1）表示注入公用电网的基本有源分量和基波负载无功分量。
另一方面，多谐振PI控制器（见图3）被调谐，使得谐振项在它们各自的交叉频率（omega;cm）处呈现0dB增益。 因此，实现了在（5）中呈现的多谐振控制器增益（km），以保证多谐振交叉频率将等于在电流PI控制器（omega;ci）的设计规范中定义的所采用的交叉频率，使得omega;cm =omega;ci。
C.直流母线控制器
可以看出，图3中还显示了两个直流母线电压PI控制器。一个称为PIvd c，用于控制恒定参考电压v * dc时的总直流母线电压。 参考电压v * dc是从基于扰动和观察（P＆O）的MPPT技术[6]获得的，如图1所示。 该控制器的输出信号由idc表示，其中该量表示由PV系统产生的总能量加上由PV系统所需的用于补偿与滤波电感器和半导体器件相关的损耗的能量。 当前idc包含在（3）中，并在图2和图3中表示。第二个直流总线控制器（称为PIVD c u）用于补偿直流母线电压不平衡。 在这种情况下，测量直流母线电压（vdc1-vdc2）之间的差异，并将其与零参考值进行比较，如图1和4所示。式（4）中包含PIvd c u输出信号（idcu），并且也在图2和图3中表示。
- FFCL现状
与太阳辐射和/或温度相关的大气条件意味着PV阵列中可用的能量的不同量。 特别地，突然的太阳辐射变化导致逆变器直流母线的电压振荡，其影响逆变器电流参考的计算，并干扰光伏系统的正常工作。
本文提出的FFCL旨在减少由于诸如突然的日晒变化等干扰的发生而导致的直流母线电压中可能发生的幅度振荡。 该控制动作由图2所示的FFC（iff）表示。
FFCL是基于直流总线功率平衡。尽管仅通过直流总线电压控制器来维持直流总线电压可以确保光伏系统功率平衡，但是该控制器不够快以避免当突然的日射改变发生时的电压振荡。 换句话说，直流母线电压控制回路的速度必须适当地设计成比电流控制回路更慢，以保证彼此不会产生干扰，这可能会影响注入电网的电流波形的质量。
因此，FFCL通过CRG进行操作。换句话说，FFCL先前估计PV阵列中可用的能量，并且因此有助于计算将被注入到电网中的逆变器有源电流。 因此，该控制动作有助于减少在直流母线电压以及瞬变期间的逆变器电流中发生的稳定时间和过冲。
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