光伏三相并网逆变器的控制策略与性能分析（Simulink仿真实现）

原创于 2025-12-06 00:33:36 发布 · 646 阅读

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💥1 概述

光伏三相并网逆变器控制策略与性能分析研究

一、引言

随着全球能源结构的转型，可再生能源尤其是太阳能光伏发电技术迅速发展。三相并网逆变器作为光伏发电系统的核心设备，其控制策略和性能直接影响系统的发电效率、电能质量及并网稳定性。本文旨在系统分析光伏三相并网逆变器的控制策略，并对其性能进行深入探讨，为相关研究和工程应用提供参考。

二、光伏三相并网逆变器基本原理与拓扑结构

（一）基本原理

光伏三相并网逆变器的主要功能是将光伏阵列输出的直流电转换为与电网电压同频、同相的交流电，实现光伏发电系统与电网的无缝连接。其工作过程涉及直流 - 交流电力转换、最大功率点跟踪（MPPT）、并网电流控制以及安全防护等多个环节。

（二）拓扑结构

常见的光伏三相并网逆变器拓扑结构包括两电平和三电平结构。

两电平拓扑：结构简单，每个桥臂只有两种开关状态（1态和 0 态），对应输出电压为 Vd/2 和 -Vd/2。但其在相同开关频率下，谐波含量相对较高，对电网的干扰较大。
三电平拓扑：如中点钳位型（NPC）三电平拓扑，每个桥臂有三种开关状态（1 态、0 态、2 态），对应输出电压为 Vd/2、-Vd/2 和 0。三电平结构由多个电阶合成输出电压正弦波形，在相同开关频率条件下，谐波含量大为减少，对电网的干扰越小，且能承受更高的母线电压输入，适用于不同功率等级的光伏并网系统。

三、光伏三相并网逆变器控制策略

（一）最大功率点跟踪（MPPT）控制

MPPT 控制是光伏发电系统的核心控制技术之一，其目的是使光伏电池始终工作在最大功率点附近，以提高系统的能量转换效率。常用的 MPPT 算法包括：

扰动观察法：通过实时监测光伏阵列的输出电压和电流，计算功率变化，然后对工作点进行微调，以寻找最大功率点。该方法简单易实现，但可能在最大功率点附近出现振荡现象。
增量电导法：基于光伏电池的电导变化特性，通过比较电导增量和瞬时电导来判断最大功率点的位置。该方法能够快速准确地跟踪最大功率点，且避免了扰动观察法中的振荡问题，但对传感器的精度要求较高。
变步长的滞环比较扰动观测法：改进的扰动观测法，不仅能够快速地跟踪最大功率点，而且有效地避免了传统扰动观测法中出现的振荡现象，提高了光伏系统的发电效率。

（二）并网电流控制

并网电流控制是确保逆变器输出电流与电网电压同步，实现高质量并网的关键。常见的并网电流控制策略包括：

基于电网电压定向的矢量控制：将电网电压矢量定向在同步旋转坐标系的 d 轴上，通过控制 d 轴和 q 轴电流来实现有功功率和无功功率的独立控制。该控制方式实质上是一种电流矢量控制方式，电流控制器是其关键技术之一，常用的电流控制器有 PI 控制器和准谐振控制器。准谐振控制器能够准确跟踪正弦波电流给定量，并且能够有效抑制并网电流中的谐波电流分量，改善并网电能质量。
基于电网电压定向的直接功率控制：分别对瞬时有功功率 p 和无功功率 q 进行控制，从而取得快速的功率响应。该控制方式不需要复杂的坐标变换，动态响应速度快，但对功率计算的精度要求较高。
dq 解耦控制与电流内环电压外环控制：在 dq 同步旋转坐标系下，将有功功率和无功功率解耦，分别进行独立的电压和电流控制。电流内环用于快速跟踪电流指令，电压外环用于稳定直流母线电压。这种控制策略可以实现电能的解耦控制和内环外环的协调工作，大大提高系统的动态响应速度和稳定性。

（三）孤岛效应检测与预防控制

当电网停止供电后，光伏并网逆变器若不能及时检测到该故障，会继续向局部电网供电，形成孤岛效应。孤岛效应会对用户设备和工作人员的人身安全带来隐患，因此必须采取有效的检测和预防措施。常见的孤岛检测方法包括：

主动频率偏移法：通过主动对逆变器输出电流的频率进行偏移，监测电网频率的变化来判断是否发生孤岛效应。改进的基于无功电流扰动的主动频率偏移孤岛检测方法，不仅能够有效地减小检测盲区，而且克服了传统主动频率偏移算法有功电流波动的缺点，提高了直流母线电压的稳定性。
被动式检测法：通过监测电网的电压、频率、相位等参数的变化来判断孤岛效应的发生。该方法实现简单，但存在检测盲区，在某些情况下可能无法及时检测到孤岛效应。

（四）并联逆变器控制策略

在大型光伏发电系统中，常采用并联逆变器来提高系统容量。并联逆变器的控制策略主要包括：

电流内环及电压外环设计：建立并联光伏并网逆变器的平均数学模型，在此基础上设计电流内环和电压外环，以实现逆变器的稳定运行和并网控制。
环流抑制策略：逆变器并联会带来环流问题，增加系统损耗，使波形发生畸变，降低系统效率。基于前馈控制的环流抑制方法，根据零序电流在同步旋转坐标系下的数学模型，在传统 PI 环流抑制方法的基础上进行改进。当各逆变器滤波电感不相等或各模块给定电流不相等时，该方法能取得很好的环流抑制效果，不仅适用于模块均流场合，在各模块滤波电感不相等或给定电流不相等时也能有效抑制环流。

四、光伏三相并网逆变器性能分析

（一）效率评估

逆变器的效率是衡量其性能的重要指标之一，即输入电能与输出电能之间的转换效率。高效率的逆变器能够最大程度地利用光伏阵列的发电能力。目前市场上一些先进的逆变器产品，其转换效率已超过 98%。影响逆变器效率的因素主要包括功率器件的损耗、磁性元件的损耗以及控制电路的损耗等。通过采用先进的半导体材料（如碳化硅 SiC 功率器件）和优化电路拓扑结构，可以降低电力损耗，提升逆变器的开关速度和转换效率。

（二）功率因数

逆变器应具备良好的功率因数，以提供稳定的无功功率，满足电网的运行要求。功率因数接近 1 时，表示逆变器输出的有功功率占比较大，无功功率较小，对电网的影响较小。通过采用有功 - 无功控制策略，光伏逆变器可以根据电网的要求提供一定的无功功率，以维持电网的稳定运行。

（三）响应时间

逆变器应能快速响应不同的电网和负载条件，并及时调整运行模式，以确保稳定的电网连接。在电网电压波动、频率变化或负载突变等情况下，逆变器需要迅速调整输出电流和功率，以保持与电网的同步。先进的控制算法和高速的信号处理技术可以提高逆变器的响应速度。

（四）谐波失真

并网电流的谐波失真会影响电网的电能质量，因此逆变器应尽量降低输出电流的谐波含量。通过采用合适的滤波电路和先进的控制策略，如基于准谐振控制器的电流控制策略、dq 解耦控制与电流内环电压外环控制策略等，可以将并网电流的总谐波失真（THD）降低至较低水平。例如，有研究通过先进控制策略实现了并网电流的 THD 低至 0.44%，获得了低失真的并网电流波形。

（五）抗干扰性

逆变器应具备一定的抗干扰能力，以应对电网瞬时变化、电力质量问题等。在复杂的电网环境下，逆变器可能会受到电压暂降、电压暂升、谐波干扰等因素的影响，导致性能下降甚至故障。通过采用先进的保护电路和控制算法，可以提高逆变器的抗干扰能力，确保其在各种工作条件下的稳定运行。

五、研究案例与实验验证

（一）三相工频隔离型光伏并网逆变器研究

有研究选取三相工频隔离型光伏并网逆变器作为研究对象，分析了基于电网电压定向的矢量控制和基于电网电压定向的直接功率控制两种常用控制方式。通过 Matlab 仿真对两种控制方式进行了对比分析，结果表明准谐振控制器能够准确跟踪正弦波电流给定量，并且能够有效抑制并网电流中的谐波电流分量，改善并网电能质量。同时，设计了一套软件控制系统，进行控制电路设计以及主电路参数设计，并搭载了一套三相工频隔离型光伏并网逆变器实验装置。通过对实验结果分析，验证了仿真结果的正确性。

（二）并联光伏并网逆变器控制策略研究

针对并联光伏并网逆变器，有研究建立了并联光伏并网逆变器的平均数学模型，设计了电流内环及电压外环。采用定电压启动自适应变步长最大功率追踪策略，使光伏阵列始终工作在最大功率点附近。重点研究了并联逆变器的环流抑制策略，提出了一种基于前馈控制的环流抑制方法。理论分析及仿真、实验表明，该方法在各逆变器滤波电感不相等或各模块给定电流不相等时，也能取得很好的环流抑制效果。此外，还提出了一种基于无功电流扰动的主动频率偏移孤岛检测方法，仿真表明该算法能够有效减小检测盲区，提高直流母线电压的稳定性。最后，开发研制了一套 15kW 的并联光伏逆变器实验室模拟平台，并完成了有功无功功率控制、无冲击并网、MPPT、孤岛检测、环流抑制等实验。

（三）光伏发电变步长滞环比较法三相并网逆变器研究

该研究对光伏发电三相并网逆变器系统常用的几种电路拓扑结构进行分析比较后，确定采用两级式光伏并网逆变器（前级 DC - DC 变换器采用 Boost 升压变换电路，后级 DC - AC 逆变器采用全桥逆变电路），并分别对两级电路的工作原理进行了分析。提出了一种改进 MPPT 算法——基于变步长的滞环比较扰动观测法，利用 MATLAB/Simulink 软件对常用的扰动观测法和改进法进行了仿真研究。结果表明，变步长的滞环比较扰动观测法不仅能够快速地跟踪最大功率点，而且有效地避免了在扰动观测法中出现的振荡现象，提高了光伏系统的发电效率。同时，分析比较了常用的逆变器电流控制策略，建立了基于 SVPWM 的控制策略，并对该算法进行优化，实现了逆变器的数字化控制。仿真结果证明了利用该算法能够实现并网控制要求，提高系统的动态响应性能，并在很大程度上提高了系统的直流电压利用率。

六、结论与展望

（一）结论

光伏三相并网逆变器的控制策略和性能对光伏发电系统的稳定运行、高效发电和适应电网变化起着关键作用。本文系统分析了常见的控制策略，包括 MPPT 控制、并网电流控制、孤岛效应检测与预防控制以及并联逆变器控制策略等，并对逆变器的性能指标如效率、功率因数、响应时间、谐波失真和抗干扰性等进行了深入探讨。通过研究案例和实验验证表明，采用先进的控制策略和优化设计方法可以显著提高光伏三相并网逆变器的性能，实现高效、稳定、可靠的并网运行。