摘要：  本文针对使用较多的单相两级非隔离型光伏并网逆变器拓扑和三相单级工频隔离型逆变器拓扑，分别简要分析了其控制策略，包括MPPT原理、电网电压锁相、同步并网正弦电流指令生成、逆变器电流闭环控制、SPWM控制。分别给出了控制系统结构框图。

关键字：  光伏并网逆变器，  微型逆变器拓扑，  单位功率因数并网

1 引言

本专题的第一篇论文介绍了作者所在实验室使用的三种光伏并网逆变器的主电路拓扑。限于篇幅，本文主要介绍“单相两级非隔离型7kW”和“三相单级工频隔离型20kW”两种拓扑的控制策略。“单相高频隔离型250W微型逆变器拓扑”比较特殊，目前市场上用得较少，其控制策略也不具有一般性。光伏并网逆变器的控制策略主要包括三大块：最大功率点跟踪(MPPT)、孤岛检测和控制、以及通过逆变器实现单位功率因数并网发电。本专题中第三篇论文“光伏并网控制系统最大功率点跟踪(MPPT)方法”专门讨论MPPT的相关问题;第四篇论文“光伏并网发电系统的孤岛检测方法”专门讨论孤岛检测问题。本文中重点介绍单位功率因数并网的相关技术，包括：电网电压锁相、并网电流指令信号的生成、并网电流跟踪控制、SPWM控制方式等;单相两级变换拓扑还包含一个电压控制外环。至于MPPT和孤岛检测，本文只介绍它们与其它部分之间的关系。

2 单相并网逆变器控制策略

单相并网逆变器的电路拓扑见本专题第一篇论文的图8，其控制系统结构框图示于本文图1。其中，上半部分通过控制前级Boost电路实现MPPT功能;下半部分实现单位功率因数并网发电，包括孤岛检测功能。下面分别讨论。

2.1 BOOST电路控制与MPPT

图1中，us1和is1分别表示光伏阵列(由PV组件串并联而成)输出的直流电压和电流，us1和is1经ADC进入DSP(或ARM)成为数字信号。PV板电压us1和电流is1用于MPPT计算，根据MPPT算法实时地求出电压指令u*，u*再与三角载波比较得出PWM控制信号，PWM信号用来控制Boost电路的开关管。后面将会看到，由于后级电压外环的控制作用，直流母线电压Ud保持恒定不变。因此，通过u*对三角载波的调制改变PWM输出波形的占空比，进而改变Boost电路的输入输出增益，实际上就是调节PV组件的输出直流电压us1。由MPPT算法原理可知，通过调节PV组件的输出电压就可以寻找到最大功率点MPP。

2.2 并网逆变侧的双闭环控制

图1中，Ud和Ud*分别表示逆变器直流母线电压的实际检测值和给定指令值。一般Ud*取恒值为350V左右，Ud和Ud*的误差经过“电压调节器”后，其输出为并网逆变正弦电流的峰值Im。us2和is2分别表示电网电压和电流，其正方向标在主电路拓扑中。当直流母线电压Ud高于Ud*时，误差为正，经电压调节器后Im增大，使得并网电流增大，向电网输送的功率增大，因而控制直流母线电压Ud下降。反过来当直流母线电压Ud低于Ud*时，误差为负，产生相反的调节作用，使直流母线电压Ud上升。因此，电压控制闭环可使直流母线电压保持恒定。

对us2进行数字锁相，得到锁相信号cos?t，与电流的峰值Im相乘，即可得到单位功率因数并网逆变的的电流指令is2*。亦即，电网电压和并网电流同频率同相位，可以分别表示为us2(t)=Umcos?t和is2*(t)=Imcos?t。

实际并网电流is2与并网电流指令is2*的误差，经“电流调节器”调节后，产生反相位的两路正弦调制信号;这两路调制信号分别与三角载波2比较产生两路SPWM控制信号，分别对应单相逆变桥的两个半桥;这两路SPWM控制信号分别经反相和添加死区后产生四路控制信号，以驱动单相逆变桥的四个开关管。电流调节闭环可使实际并网电流is2跟踪电流指令is2*，实现单位功率因数并网发电。

2.3 并网电压锁相与电流指令合成

并网电流包括幅值、相位和频率。幅值通过电压外环的闭环调节生成，而相位和频率要通过对电网电压的锁相来实现。用电网电压的负向过零点进行锁相，方法是检测两次过零点之间的时间作为电网电压的基波周期，再以过零点同步相位。微处理器内部预存一个正弦信号表格，同步信号cos?t由读取该正弦表格生成，并由电网电压的过零点同步。

实际采集的电网电压信号存在干扰，使得过零点位置存在随机波动。对实时采集的周期和过零点误差信号进行数字递推滤波，可以消除随机误差。

3 三相并网逆变器控制策略

三相并网逆变器的电路拓扑见本专题第一篇论文的图9，其控制系统结构框图示于本文图2。同样，us1和is1分别表示光伏阵列输出的直流电压和电流;us2ab和us2bc分别表示电网的ab相和bc相线电压;is2a和is2b分别表示电网的a相和b相线电流。

由于该电路只有一级变换，MPPT的输出直接控制三相逆变器并网电流的峰值(指令为Im*)，也就是控制光伏阵列的输出电流。根据MPPT控制原理，通过调节PV组件的输出电流同样可以寻找到最大功率点MPP。与第2节中的两级单相并网逆变器电路不同，由于没有电压控制环，当光伏阵列的光照和温度不同时，MPPT控制会使得逆变器的直流母线电压大幅摆动。直流母线电压大幅变化会给逆变桥开关器件的选取带来困难，改变工频隔离变压器的变比(电压匹配)，可以缓解这一矛盾。

对us2ab和us2bc进行??Y变换、锁相和3相?2相变换，得到???坐标系下的同步正弦信号sin?t和cos?t;锁相的原理与单相时基本形同。sin?t和cos?t分别与电流幅值指令Im*相乘后得到???坐标系下的指令电流i??和i??。对is2a和is2b进行3相-2相变换，得到???坐标系下的实际反馈电流i?和i?。i??和i??分别与i?和i?相减，其误差分别经两个电流调节器???R和???R的调节，????R和???R的调节输出分别为???坐标系下的电压控制信号u?和u?，再经2相?3相变换得到三相电压控制信号ua、ub和uc。ua、ub和uc分别与三角载波相比较，经注入控制死区后最终产生驱动三相逆变桥的六路SPWM控制信号。

无论在图8的单相并网逆变器，还是图9的三相并网逆变器，其孤岛检测均包含被动检测和主动检测两部分。主动检测方式需要在并网电流指令i??和i??中注入一个适当的扰动，如图中所示。当检测到孤岛状态时，一方面封锁SPWM驱动信号，停止逆变运行;同时发出保护信号，切断电网侧的隔离开关。孤岛检测的原理和方法，参见本专题第4篇论文，此处不再赘述。

单相两级拓扑的直流母线电压保持恒定，但在考虑逆变侧不工作时(比如孤岛发生时)母线电压也会过高;三相单级拓扑中母线电压波动较大;因此调试时应注意避免母线过压。为了提高三相逆变拓扑直流母线电压的利用率(可降低母线电压幅值)，一般应在三相控制电压信号ua、ub和uc上同步注入一个适当的三次谐波电压，或者采用SVPWM技术。

4 总结

本文介绍的两种光伏并网逆变器主电路拓扑的控制策略，在实验室分别由TMS320F2812 DSP和STM32F103VBT6 ARM编程实现，初步的实验结果表明，上述控制策略和实现方法是切实可行的。