CN107910890A - 一种串并联逆变器组合的光储微电网结构及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种串并联逆变器组合的光储微电网结构及控制方法。其中，光储微电网系统整体上由相互并联的储能子系统和光伏子系统组成，通过各自的线路阻抗并行为等效区域负荷供电。储能子系统和光伏子系统分别由多个相互串联的逆变器模块级联而成，实现电压等级和功率容量提升，相对与传统的混合型光储微源，所提供的系统结构能实现单个储能和光伏单元的灵活控制，提高整体系统的转换效率。另外，为了实现光伏的可再生能源最大利用率，提供了一种基于MPPT算法的下垂控制方法；为了实现系统供需功率平衡和串联储能模块间荷电状态平衡，提供了基于SOC算法的上垂控制策略，在无需通信条件下实现离网系统的功率合理流动和电压频率的稳定。
Description
技术领域
本发明属于分布式电源发电、电力电子控制技术和微电网技术领域，具体涉及一种串并联逆变器组合的光储微电网结构及控制方法。
背景技术
可再生能源发电由于具有环境污染小和转换效率高等优点，是未来第三代综合能源网络系统的有效构成之一，吸引了广大学者和工程师越来越多的研究。其中，光伏发电作为主要的分布式发电之一，由于其本身成本的逐渐降低和太阳能的广泛存在，已经得到了越来越多的应用。为了合理的整合光伏发电，提出了一系列基于光伏微电网的协同控制和优化技术，不过由于光伏发电严重依赖自然环境，其发电规律具有随机不确定性，需要增添一定容量的储能装置来平抑功率输出，进行削峰填谷和维持系统功率平衡，进而，提出了具有典型特征的光储微电网概念。
光储微电网能够运行于并网和离网两种运行模式，在并网模式下，光伏电源一般受控为电流源，进行最大功率跟踪输出；在离网模式下，光伏电源需要和储能单元混合组成理想电源，维持离网系统的供需平衡和电压频率稳定，由于局部光伏电源的频繁功率波动，需要在本地配置较大容量的分布式储能，会造出储能容量的浪费和寿命的降低。为了高效的发挥储能的作用，同时保证光伏单元的最大功率输出，亟需研究基于集中式储能的光储微电网结构和相关控制技术。
由于单个光伏模块和储能模块固有的低压和小功率容量特性，一般需要进行双级变换器，前级DC-DC变换器进行升压工作，后级进行DC-AC逆变工作，尽管光伏和储能单元得到了灵活的控制，但是双级变换器降低了转换效率，增加了系统成本。为了克服低压和小容量特性，可以采用逆变器串联的形式，但随着级联个数的增多，单独的集中控制器将需要处理指数倍增长的采样变量、控制变量和控制目标，控制系统将变得极其复杂，严重影响了串联光伏的发展前景。
在现有的技术中，还没有一种串并联逆变器组合的光储微电网结构及控制方法，在考虑光储单元低压特性的同时，进行集中式的储能配置，同时，为了满足控制系统高可靠性和即插即用特性的需求，也亟需开发基于单独模块分散式控制的方法，在完全不需要模块间通信的环境下实现系统的稳定运行和功率合理流动。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种串并联逆变器组合的光储微电网结构及控制方法，其中，光储微电网系统整体上由相互并联的集中式储能子系统和分布式光伏子系统组成，通过各自的线路阻抗并行为等效区域负荷供电。储能子系统和光伏子系统分别由多个相互串联的逆变器模块级联而成，实现电压等级和功率容量提升，相对与传统的混合型光储微源，所提供的系统结构能实现单个储能和光伏单元的灵活控制，提高整体系统的转换效率。另外，为了实现光伏的可再生能源最大利用率，提供了一种基于MPPT算法的下垂控制方法；为了实现系统供需功率平衡和串联储能模块间荷电状态平衡，提供了基于SOC算法的上垂控制策略，在无需通信条件下实现离网系统的功率合理流动和电压频率的稳定。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种串并联逆变器组合的光储微电网结构及控制方法，光储微电网系统整体上由相互并联的储能子系统和光伏子系统组成，通过各自的线路阻抗并行为等效区域负荷供电，其中，储能子系统和光伏子系统分别由多个相互串联的逆变器级联而成，便于单个低压储能模块和低压光伏模块的接入，实现电压等级和功率容量的提升，针对所述的单个储能模块和光伏模块，提供了相应的本地分散式控制方法，实现单个模块的独立灵活控制，所提供的控制方法充分考虑储能和光伏的实际特性，保证整个光储微电网系统在无通信环境下的协调控制、功率平衡和电压频率稳定，相对于传统的基于通信范畴的控制方法，所提出的控制方法具有更高的即插即用特性和更低的系统投资成本。
光储微电网系统中主要存在光伏电源和储能电源两种形式，光伏电源作为可再生能源的代表，其功率输出具有一定的随机不确定性，储能单元作为功率缓冲单元，具有削峰填谷的功能，由于单个光伏电源和储能电源的电压和功率有限，本专利采用逆变器串并联混合连接的技术，首先利用串联逆变器实现储能模块或光伏模块的级联，形成整个电压等级高和功率容量大的储能子系统或光伏子系统，然后利用逆变器并联技术，将储能子系统和光伏子系统并联，通过各自的线路阻抗连接至负荷的公共连接点，由于光伏子系统地理位置的限制约束，其线路阻抗一般较大，而储能单元直接安装在区域负荷附近，具有较小的线路阻抗，共同组成整体主从式系统为区域负荷供电，此处，负荷的有功和无功需求均假设为正值。
储能子系统由N个相互级联的储能逆变器模块首尾相互连接组成，随着级联模块个数的增加，系统的控制参数、采样参数和控制目标较多，传统的集中式控制系统会变得复杂，控制系统的可靠性逐渐降低，为了提高系统的可靠性和即插即用性能，本专利设计了一种单个储能模块分散式控制系统，只需采集单个蓄电池模块的本地信号，进而对单个模块进行灵活独立控制，总体上保证储能模块间的荷电状态平衡和功率平衡，单个储能的实时荷电状态(SoC)表示为：
其中，SoC0为单个储能模块的初始荷电状态，Ce表示为单个储能模块的额定容量，Ps为单个储能模块的实时充电或放电功率，其计算方法为，采集单独储能模块的实时输出电容电压Voac和输出电流信号Ioac，并计算出自身输出的平均有功功率Ps和无功功率Qs：
其中，V′oac为Voac滞后90度的电压，τ为功率低通滤波常数；
为了保证储能模块间的荷电状态平衡、功率平衡和频率同步，根据离网级联逆变器的功率传输特性，设计的分散式控制方法如下：
其中，ω和V为单个储能模块逆变器底层电压角频率和幅值参考信号，可以合成为Vsin(ωt),ω*为离网额定角频率，V*为离网额定电压幅值，m为有功-角频率上垂控制的正反馈系数，ksoc为一个正值的荷电状态调节系数，N代表储能模块级联总个数；
通过上式看出，当储能模块间的荷电状态不同时，会引发不同P-ω上垂控制的空载偏置，当某个储能模块的SoC较大时，空载偏置(ω*-ksocSoC)较小，进而导致放电功率增大或者充电功率减小，实现统一的充放电一体化控制；
根据功率控制生成的参考电压Vsin(ωt)对储能逆变器模块的输出电容电压和电感电流进行双闭环跟踪控制，合理设计多时间尺度下的控制带宽，然后为逆变器提供内电压参考信号，并进行进一步调制处理，生成本地单相全桥逆变器的开关信号，驱动半导体开关器件动作。
光伏子系统由M个相互级联的光伏逆变器模块首尾相互连接组成，随着级联模块个数的增加，传统的集中式控制方法会变得复杂，为了提高光伏系统的可靠性和降低系统成本，本专利设计了一种单个光伏模块分散式控制系统，只需估计单个光伏模块的实时最大可获取功率和采集实际输出本地信号，进而对单个模块进行灵活独立控制，保证光伏的最大功率输出，同时参与光储微电网系统的频率调节，具体的控制方法设计为：
其中，ωpv和Vpv为单个光伏模块逆变器底层电压角频率和幅值参考信号，可以合成为Vpvsin(ωpvt),ωn为空载时的最大角频率，Vn为光伏级联的总电压幅值，kp和kI为有功-角频率下垂控制的比例-积分反馈系数，M代表光伏模块级联总个数，Pmpp为前端最大功率跟踪算法MPPT生成的实时最大可获取功率，Ppv为光伏模块的实时输出功率，表示为：
其中，Vpvac为单独光伏模块的实时输出电容电压，Ipvac为单独光伏模块的实时输出电流，V′pvac为Vpvac滞后90度的电压，τ为功率低通滤波常数；
根据功率控制生成的参考电压Vpvsin(ωpvt)对光伏逆变器模块的输出电容电压和电感电流进行双闭环跟踪控制，合理设计多时间尺度下的控制带宽，保证各个控制环间的解耦，提高逆变器的跟踪响应能力，根据电压电流跟踪模块提供的逆变器内电压参考信号进行调制处理，生成本地单相全桥逆变器的开关信号，驱动半导体开关器件动作。
本发明的有益效果为：
本发明为解决离网模式下光储微电网的高效运行和高可靠性控制方法问题，提出一种串并联逆变器组合的光储微电网结构及控制方法，其中，光储微电网系统整体上由相互并联的集中式储能子系统和分布式光伏子系统组成。储能子系统和光伏子系统分别由多个相互串联的逆变器模块级联而成，实现电压等级和功率容量提升。另外，为了实现光伏的可再生能源最大利用率，提供了一种基于MPPT算法的下垂控制方法；为了实现系统供需功率平衡和串联储能模块间荷电状态平衡，提供了基于SOC算法的上垂控制策略，在无需通信条件下实现离网系统的功率合理流动和电压频率的稳定。该专利的优点总体概述为：
1、提供了一种先串联形成一个供电子系统、后并联共同为负荷供电的光储微电网系统结构，便于储能的集中调度，大大提高了储能效率，减少了储能的安装容量；
2、对于串联的储能子系统，为了实现串联储能模块间荷电状态平衡和功率平衡，提供了一种独立储能模块的分散式控制系统，提出了一种基于SOC算法的上垂控制策略；
3、对于串联的光伏子系统，为了实现光伏的可再生能源最大利用率，提供了一种独立光伏模块的分散式控制系统，提出了一种基于MPPT算法的下垂控制方法；
4、与现有集中式控制技术相比，设计的分散式控制策略具有更高的系统可靠性和即插即用特性，有利于系统的模块化设计。
附图说明
图1串并联逆变器组合的光储微电网系统结构及本地控制方法图
图2储能模块分散式控制系统图
图3光伏模块分散式控制系统图
图4四个光伏模块的仿真有功功率结果图
图5二个储能模块的仿真有功功率结果图
图6二个储能模块的仿真荷电状态SoC结果图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，但不能用来限制本发明的范围。
一种串并联逆变器组合的光储微电网结构及控制方法，具体如图1所示，光储微电网系统整体上由相互并联的储能子系统和光伏子系统组成，通过各自的线路阻抗并行为等效区域负荷供电，其中，储能子系统和光伏子系统分别由多个相互串联的逆变器级联而成，便于单个低压储能模块和低压光伏模块的接入，实现电压等级和功率容量的提升，针对所述的单个储能模块和光伏模块，提供了相应的本地分散式控制方法，实现单个模块的独立灵活控制，所提供的控制方法充分考虑储能和光伏的实际特性，保证整个光储微电网系统在无通信环境下的协调控制、功率平衡和电压频率稳定，相对于传统的基于通信范畴的控制方法，所提出的控制方法具有更高的即插即用特性和更低的系统投资成本。
光储微电网系统中主要存在光伏电源和储能电源两种形式，光伏电源作为可再生能源的代表，其功率输出具有一定的随机不确定性，储能单元作为功率缓冲单元，具有削峰填谷的功能，由于单个光伏电源和储能电源的电压和功率有限，本专利采用逆变器串并联混合连接的技术，首先利用串联逆变器实现储能模块或光伏模块的级联，形成整个电压等级高和功率容量大的储能子系统或光伏子系统，然后利用逆变器并联技术，将储能子系统和光伏子系统并联，通过各自的线路阻抗连接至负荷的公共连接点，由于光伏子系统地理位置的限制约束，其线路阻抗一般较大，而储能单元直接安装在区域负荷附近，具有较小的线路阻抗，共同组成整体主从式系统为区域负荷供电，此处，负荷的有功和无功需求均假设为正值。
储能子系统由N个相互级联的储能逆变器模块首尾相互连接组成，随着级联模块个数的增加，系统的控制参数、采样参数和控制目标较多，传统的集中式控制系统会变得复杂，控制系统的可靠性逐渐降低，为了提高系统的可靠性和即插即用性能，本专利设计了一种单个储能模块分散式控制系统，具体如图2所示，只需采集单个蓄电池模块的本地信号，进而对单个模块进行灵活独立控制，总体上保证储能模块间的荷电状态平衡和功率平衡，单个储能的实时荷电状态(SoC)表示为：
其中，SoC0为单个储能模块的初始荷电状态，Ce表示为单个储能模块的额定容量，Ps为单个储能模块的实时充电或放电功率，其计算方法为，采集单独储能模块的实时输出电容电压Voac和输出电流信号Ioac，并计算出自身输出的平均有功功率Ps和无功功率Qs：
其中，V′oac为Voac滞后90度的电压，τ为功率低通滤波常数；
为了保证储能模块间的荷电状态平衡、功率平衡和频率同步，根据离网级联逆变器的功率传输特性，设计的分散式控制方法如下：
其中，ω和V为单个储能模块逆变器底层电压角频率和幅值参考信号，可以合成为Vsin(ωt),ω*为离网额定角频率，V*为离网额定电压幅值，m为有功-角频率上垂控制的正反馈系数，ksoc为一个正值的荷电状态调节系数，N代表储能模块级联总个数；
通过上式看出，当储能模块间的荷电状态不同时，会引发不同P-ω上垂控制的空载偏置，当某个储能模块的SoC较大时，空载偏置(ω*-ksocSoC)较小，进而导致放电功率增大或者充电功率减小，实现统一的充放电一体化控制；
根据功率控制生成的参考电压Vsin(ωt)对储能逆变器模块的输出电容电压和电感电流进行双闭环跟踪控制，合理设计多时间尺度下的控制带宽，然后为逆变器提供内电压参考信号，并进行进一步调制处理，生成本地单相全桥逆变器的开关信号，驱动半导体开关器件动作。
光伏子系统由M个相互级联的光伏逆变器模块首尾相互连接组成，随着级联模块个数的增加，传统的集中式控制方法会变得复杂，为了提高光伏系统的可靠性和降低系统成本，本专利设计了一种单个光伏模块分散式控制系统，具体如图3所示，只需估计单个光伏模块的实时最大可获取功率和采集实际输出本地信号，进而对单个模块进行灵活独立控制，保证光伏的最大功率输出，同时参与光储微电网系统的频率调节，具体的控制方法设计为：
其中，ωpv和Vpv为单个光伏模块逆变器底层电压角频率和幅值参考信号，可以合成为Vpvsin(ωpvt),ωn为空载时的最大角频率，Vn为光伏级联的总电压幅值，kp和kI为有功-角频率下垂控制的比例-积分反馈系数，M代表光伏模块级联总个数，Pmpp为前端最大功率跟踪算法MPPT生成的实时最大可获取功率，Ppv为光伏模块的实时输出功率，表示为：
其中，Vpvac为单独光伏模块的实时输出电容电压，Ipvac为单独光伏模块的实时输出电流，V′pvac为Vpvac滞后90度的电压，τ为功率低通滤波常数；
根据功率控制生成的参考电压Vpvsin(ωpvt)对光伏逆变器模块的输出电容电压和电感电流进行双闭环跟踪控制，合理设计多时间尺度下的控制带宽，保证各个控制环间的解耦，提高逆变器的跟踪响应能力，根据电压电流跟踪模块提供的逆变器内电压参考信号进行调制处理，生成本地单相全桥逆变器的开关信号，驱动半导体开关器件动作。
图4为本发明实施例中离网模式下光储微电网系统的光伏模块有功功率仿真结果图。其中，主要参数选取为：储能级联个数N＝2，光伏级联个数M＝4，额定电压幅值V*＝311V、电压角频率ω*＝2π*50rad/s。从图中看出，在四个光伏模块的光照遮挡程度不同环境下，可获取的最大功率输出能力因而不同，在构造的光伏模块分散式控制方法中，由于比例积分的作用，能够实现有功功率的无差跟踪，最终实现各个光伏模块的稳定输出。
图5和图6分别为本发明实施例中光储微电网的储能模块有功功率和荷电状态SoC仿真结果图。从图中看出，在初始荷电状态SoC不同的情况下，SoC较大的储能模块放电功率偏大，随着时间的累计，两个储能模块的SoC逐渐一致，最终，实现了储能模块间的有功功率平衡和荷电状态SoC平衡。
上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其仍处于本发明权利要求范围之中。
Claims (4)
1.一种串并联逆变器组合的光储微电网结构及控制方法，其特征在于，光储微电网系统整体上由相互并联的储能子系统和光伏子系统组成，通过各自的线路阻抗并行为等效区域负荷供电，其中，储能子系统和光伏子系统分别由多个相互串联的逆变器级联而成，便于单个低压储能模块和低压光伏模块的接入，实现电压等级和功率容量的提升，针对所述的单个储能模块和光伏模块，提供了相应的本地分散式控制方法，实现单个模块的独立灵活控制，所提供的控制方法充分考虑储能和光伏的实际特性，保证整个光储微电网系统在无通信环境下的协调控制、功率平衡和电压频率稳定，相对于传统的基于通信范畴的控制方法，所提出的控制方法具有更高的即插即用特性和更低的系统投资成本。
2.根据权利要求1所述的一种串并联逆变器组合的光储微电网结构及控制方法，其特征在于，光储微电网系统中主要存在光伏电源和储能电源两种形式，光伏电源作为可再生能源的代表，其功率输出具有一定的随机不确定性，储能单元作为功率缓冲单元，具有削峰填谷的功能，由于单个光伏电源和储能电源的电压和功率有限，本专利采用逆变器串并联混合连接的技术，首先利用串联逆变器实现储能模块或光伏模块的级联，形成整个电压等级高和功率容量大的储能子系统或光伏子系统，然后利用逆变器并联技术，将储能子系统和光伏子系统并联，通过各自的线路阻抗连接至负荷的公共连接点，由于光伏子系统地理位置的限制约束，其线路阻抗一般较大，而储能单元直接安装在区域负荷附近，具有较小的线路阻抗，共同组成整体主从式系统为区域负荷供电，此处，负荷的有功和无功需求均假设为正值。
3.根据权利要求1所述的一种串并联逆变器组合的光储微电网结构及控制方法，其特征在于，储能子系统由N个相互级联的储能逆变器模块首尾相互连接组成，随着级联模块个数的增加，系统的控制参数、采样参数和控制目标较多，传统的集中式控制系统会变得复杂，控制系统的可靠性逐渐降低，为了提高系统的可靠性和即插即用性能，本专利设计了一种单个储能模块分散式控制系统，只需采集单个蓄电池模块的本地信号，进而对单个模块进行灵活独立控制，总体上保证储能模块间的荷电状态平衡和功率平衡，单个储能的实时荷电状态(SoC)表示为：
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<mi>d</mi>
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</mrow>
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</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，SoC0为单个储能模块的初始荷电状态，Ce表示为单个储能模块的额定容量，Ps为单个储能模块的实时充电或放电功率，其计算方法为，采集单独储能模块的实时输出电容电压Voac和输出电流信号Ioac，并计算出自身输出的平均有功功率Ps和无功功率Qs：
<mrow>
<msub>
<mi>P</mi>
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<mo>=</mo>
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<mi>o</mi>
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</msub>
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<mrow>
<mi>&tau;</mi>
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<mo>+</mo>
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<mo>;</mo>
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<mo>=</mo>
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<mrow>
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<mi>V</mi>
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<mi>o</mi>
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<mo>&prime;</mo>
</msubsup>
<msub>
<mi>I</mi>
<mrow>
<mi>o</mi>
<mi>a</mi>
<mi>c</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mi>&tau;</mi>
<mi>s</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，V′oac为Voac滞后90度的电压，τ为功率低通滤波常数；
为了保证储能模块间的荷电状态平衡、功率平衡和频率同步，根据离网级联逆变器的功率传输特性，设计的分散式控制方法如下：
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其中，ω和V为单个储能模块逆变器底层电压角频率和幅值参考信号，可以合成为Vsin(ωt),ω*为离网额定角频率，V*为离网额定电压幅值，m为有功-角频率上垂控制的正反馈系数，ksoc为一个正值的荷电状态调节系数，N代表储能模块级联总个数；
通过上式看出，当储能模块间的荷电状态不同时，会引发不同P-ω上垂控制的空载偏置，当某个储能模块的SoC较大时，空载偏置(ω*-ksocSoC)较小，进而导致放电功率增大或者充电功率减小，实现统一的充放电一体化控制；
根据功率控制生成的参考电压Vsin(ωt)对储能逆变器模块的输出电容电压和电感电流进行双闭环跟踪控制，合理设计多时间尺度下的控制带宽，然后为逆变器提供内电压参考信号，并进行进一步调制处理，生成本地单相全桥逆变器的开关信号，驱动半导体开关器件动作。
4.根据权利要求1所述的一种串并联逆变器组合的光储微电网结构及控制方法，其特征在于，光伏子系统由M个相互级联的光伏逆变器模块首尾相互连接组成，随着级联模块个数的增加，传统的集中式控制方法会变得复杂，为了提高光伏系统的可靠性和降低系统成本，本专利设计了一种单个光伏模块分散式控制系统，只需估计单个光伏模块的实时最大可获取功率和采集实际输出本地信号，进而对单个模块进行灵活独立控制，保证光伏的最大功率输出，同时参与光储微电网系统的频率调节，具体的控制方法设计为：
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其中，ωpv和Vpv为单个光伏模块逆变器底层电压角频率和幅值参考信号，可以合成为Vpvsin(ωpvt),ωn为空载时的最大角频率，Vn为光伏级联的总电压幅值，kp和kI为有功-角频率下垂控制的比例-积分反馈系数，M代表光伏模块级联总个数，Pmpp为前端最大功率跟踪算法MPPT生成的实时最大可获取功率，Ppv为光伏模块的实时输出功率，表示为：
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其中，Vpvac为单独光伏模块的实时输出电容电压，Ipvac为单独光伏模块的实时输出电流，V′pvac为Vpvac滞后90度的电压，τ为功率低通滤波常数；
根据功率控制生成的参考电压Vpvsin(ωpvt)对光伏逆变器模块的输出电容电压和电感电流进行双闭环跟踪控制，合理设计多时间尺度下的控制带宽，保证各个控制环间的解耦，提高逆变器的跟踪响应能力，根据电压电流跟踪模块提供的逆变器内电压参考信号进行调制处理，生成本地单相全桥逆变器的开关信号，驱动半导体开关器件动作。
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