新型大功率光伏并網(wǎng)逆變器關(guān)鍵技術(shù)仿真研究

潘逸菎，竇偉

(北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司，北京 100083)

0 引言

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是當(dāng)今光伏發(fā)電發(fā)展的熱門方向之一，隨著社會(huì)的發(fā)展和需求，很多負(fù)載設(shè)備對功率容量的要求越來越大。目前為提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)功率容量，主要有以下兩種方法，一種是提高單臺(tái)光伏并網(wǎng)逆變器的容量;另一種是多臺(tái)光伏逆變器并聯(lián)之后再并網(wǎng)發(fā)電。然而在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器工作效率是影響系統(tǒng)運(yùn)行效率的重要因素。通常，逆變器的工作效率除了與硬件電路設(shè)計(jì)、控制方案選擇以及工作環(huán)境等因素相關(guān)外，還與逆變器的實(shí)際運(yùn)行功率大小有關(guān)。大功率逆變器一般情況下工作效率較高且變化平緩，而大功率逆變器運(yùn)行功率低于某一值后，系統(tǒng)效率將迅速降低。對于1 MW的光伏逆變器，運(yùn)行功率低于5%時(shí)，逆變器最低工作效率甚至?xí)陀?0%。而光照強(qiáng)度是隨時(shí)變化的，特別早、晚階段光照強(qiáng)度較低。較低的光伏陣列輸出功率造成大功率逆變器實(shí)際工作效率急劇下降。同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中，在由于天氣等因素造成逆變器運(yùn)行在低功率條件時(shí)，不但引起長期發(fā)電量損失，而且向公共電網(wǎng)注入大量諧波電流，影響電能質(zhì)量。

為提高系統(tǒng)在低功率條件下的工作效率和電能質(zhì)量，提出了一種基于不平衡功率單元并聯(lián)的1 MW光伏并網(wǎng)逆變器。該新型光伏并網(wǎng)逆變器需要在運(yùn)行中進(jìn)行功率單元切換，因此存在切換擾動(dòng)問題，針對這一問題采用了參數(shù)可變PI調(diào)節(jié)器和功率協(xié)調(diào)控制技術(shù)，并進(jìn)行了系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)。

1 高效1 MW光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)

圖1所示為高效1MW光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)由一個(gè)控制器模塊集中控制950 kW功率單元和50 kW功率單元，根據(jù)工作實(shí)際情況分別給兩個(gè)功率單元發(fā)送相應(yīng)的指令，協(xié)調(diào)控制兩個(gè)功率單元的工作狀態(tài)，根據(jù)輸出功率實(shí)時(shí)調(diào)整并網(wǎng)功率單元，并在切換過程中達(dá)到系統(tǒng)的無擾切換。

其工作原理為大功率單元(950 kW)與小功率單元(50 kW)并聯(lián)組成1 MW大功率逆變器，根據(jù)光伏組件陣列所產(chǎn)生的電能情況對開關(guān)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)逆變器工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)切換。在低功率狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)(設(shè)定為低于5%的系統(tǒng)額定功率，即50 kW)，采用小功率單元進(jìn)行電能變換，這樣使得光伏系統(tǒng)即使在極低的運(yùn)行功率下，如1%的系統(tǒng)額定功率(10 kW)，也能保證持續(xù)運(yùn)行在高效率狀態(tài)(η＞90%)，同時(shí)可保證電流總諧波畸變率(THD)小于5%，從而大大改善輸出電能質(zhì)量，增加發(fā)電量，并提高整個(gè)光伏電站系統(tǒng)的綜合效率。

圖1 高效1 MW光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 高效1 MW光伏并網(wǎng)逆變器無擾切換控制研究

由于本方案需要根據(jù)并網(wǎng)功率的變化對兩個(gè)功率單元進(jìn)行切換，而光伏逆變器的工作特點(diǎn)［1－3］是并網(wǎng)功率隨時(shí)都在變化，因此每天都需要至少兩次的切換，所以在切換過程中的功率擾動(dòng)是一個(gè)需要解決的問題。為了達(dá)到無擾切換，特從以下這兩個(gè)方面解決:一是采用參數(shù)可變PI調(diào)節(jié)器，代替普通PI調(diào)節(jié)器;二是在切換過程中由控制器對兩個(gè)并網(wǎng)逆變器進(jìn)行功率協(xié)調(diào)控制。

2.1 參數(shù)可變PI調(diào)節(jié)器

目前并網(wǎng)逆變器一般采用電流和電壓雙閉環(huán)PI(比例－積分)控制策略，而PI控制策略多采用單系數(shù)PI控制器。從系統(tǒng)的整體控制效果來看，這種單系數(shù)控制方法很難兼顧動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能［4］。

采用單系數(shù)PI控制器的控制系統(tǒng)，首先考慮的是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，所以參數(shù)的選擇范圍偏小。由于本系統(tǒng)需要對兩并網(wǎng)逆變器進(jìn)行切換控制，若是僅考慮穩(wěn)態(tài)性能，則在切換過程中就會(huì)產(chǎn)生較大的功率擾動(dòng)，針對這一問題對電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行了改進(jìn)，采用參數(shù)可變PI調(diào)節(jié)器來代替普通PI調(diào)節(jié)器，在功率變化較大時(shí)PI調(diào)節(jié)器自動(dòng)采用大參數(shù)，快速調(diào)節(jié)，在誤差較小時(shí)采用小參數(shù)，便于系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，具體方法如下。

(1)計(jì)算當(dāng)前直流母線電壓與目標(biāo)電壓之間的誤差E rr和直流母線電壓的變化率d v/dt:

udc為直流母線電壓，Ts為電壓采樣周期。

或許你會(huì)說，現(xiàn)在明白了，抗生素是殺細(xì)菌的，不能治療由病毒引起的普通感冒，那用抗病毒的藥去治療普通感冒應(yīng)該對吧，所以普通感冒咱就輸抗病毒的藥吧。很多人這樣想也就這樣做了，因此抗病毒的利巴韋林注射液在中國比任何國家都有市場，廣泛濫用于治療很多與病毒相關(guān)的甚至可以自愈的疾?。ㄏ衿胀ǜ忻?、輪狀病毒感染等）。

(2)設(shè)定三個(gè)誤差判斷閾值，其中 δ1＜δ2＜δ3，當(dāng)時(shí)，由于誤差較大，積分項(xiàng)輸出為零。并且系統(tǒng)需要盡快調(diào)整至目標(biāo)值，根據(jù)PI調(diào)節(jié)的規(guī)律，應(yīng)增大Kp，此設(shè)置Kp為KpMAX。

KpMAX可根據(jù)式(2)求得:

其中IMAX為電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出最大值，也為電流環(huán)最大給定值。a為比例系數(shù)，可根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)定。

① 當(dāng)δ2＜E rr＜δ3，直流母線電壓小于目標(biāo)值，并且d v/dt＜0，誤差有增大趨勢，此時(shí)應(yīng)增大Kp，盡快消除誤差，則將所述比例系數(shù)Kp調(diào)整為:

其中:Kp(n－1)為上一次的Kp值。如果增大后的Kp值大于KpMAX，則設(shè)置為 KpMAX。

② 當(dāng)－δ3＜E rr＜ －δ2，直流母線電壓大于目標(biāo)值，并且d v/dt＞0，誤差有增大趨勢，此時(shí)應(yīng)增大Kp，盡快消除誤差，則:

vi為誤差對應(yīng)的調(diào)整參數(shù);

其中當(dāng)0＜E rr＜δ1或 －δ1＜E rr＜0時(shí)，vi=v1;當(dāng) δ1＜時(shí)，vi=v2;當(dāng)時(shí)，vi=v3。

圖2 參數(shù)可變PI調(diào)節(jié)器程序流程圖

其中v3＜v2＜v1;Kp值應(yīng)大于等于最小設(shè)定值KpMIN。如果調(diào)整后的Kp值小于KpMIN，則設(shè)置為KpMIN。下面兩種情況為偏離狀態(tài)為小誤差狀態(tài)、直流母線電壓誤差有減小趨勢:

① 當(dāng)－δ3＜E rr＜0，直流母線電壓大于目標(biāo)值，并且d v/dt＜0，

② 當(dāng)0＜E rr＜δ3，直流母線電壓小于目標(biāo)值，并且d v/dt＞0

(5)優(yōu)先的，如果E rr或d v/dt等于零時(shí)，Kp保持不變。d v/dt等于零，認(rèn)為電壓無趨勢變化。

根據(jù)上述方法對Kp參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，就可以在線對PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到功率變化較大時(shí)對系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡控制，圖2為程序控制流程圖。

2.2 并網(wǎng)逆變器功率協(xié)調(diào)控制

并網(wǎng)逆變集中控制器主要是根據(jù)光伏逆變器實(shí)際的工作情況對兩個(gè)逆變器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，具體工作方式如下所述:

(1)當(dāng)光伏組件電壓滿足并網(wǎng)條件時(shí)，控制器首先命令50 kW功率單元開始運(yùn)行，控制方式采用電流和電壓雙閉環(huán) PI控制，隨著光照強(qiáng)度的增加，并網(wǎng)功率逐漸增加。當(dāng)并網(wǎng)功率大于50 kW時(shí)，950 kW功率單元開始工作，此時(shí)通過限制950 kW功率單元電壓環(huán) PI調(diào)節(jié)器輸出，調(diào)節(jié)950 kW功率單元并網(wǎng)功率，950 kW功率單元并網(wǎng)功率由剛啟動(dòng)的最低功率逐漸提高。通過逐漸調(diào)節(jié)950 kW功率單元并網(wǎng)功率，達(dá)到功率擾動(dòng)變化小，便于系統(tǒng)平滑無擾切換。

(2)當(dāng)950 kW功率單元并網(wǎng)功率與50kW功率單元率相同時(shí)，解除950 kW功率單元電壓環(huán)限制。同時(shí)通過限制電壓環(huán)輸出，逐漸降低50 kW功率單元率并網(wǎng)功率。50 kW功率單元并網(wǎng)功率達(dá)到設(shè)定的最小值后停機(jī)，950 kW功率單元單獨(dú)工作。當(dāng)50 kW功率單元在低功率退出并網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)擾動(dòng)小，功率切換平滑。

(3)當(dāng)1 MW并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)功率小于50 kW時(shí)。50 kW功率單元最小功率并網(wǎng)，并網(wǎng)成功后，逐漸增加50 KW功率單元并網(wǎng)功率。

(4)當(dāng)兩個(gè)光伏并網(wǎng)功率單元功率相同時(shí)，放開50 kW功率單元功率限制，并逐漸降低950 kW功率單元并網(wǎng)功率，最終將950 kW功率單元退出并網(wǎng)系統(tǒng)，由50 kW功率單元單獨(dú)工作。

圖3所示為950 kW功率單元并網(wǎng)，50 kW功率單元退出并網(wǎng)的程序流程圖。反之50 kW功率單元并網(wǎng)，950 kW功率單元退出并網(wǎng)與圖3所示過程類似。

圖3 功率協(xié)調(diào)控制程序流程圖

3 無擾切換仿真結(jié)果

為驗(yàn)證所提出控制方案的效果，基于MATLAB仿真軟件對上述并網(wǎng)系統(tǒng)無擾切換控制策略進(jìn)行了仿真研究［5－6］，圖4所示為仿真系統(tǒng)模型圖。圖4中power模塊實(shí)現(xiàn)逆變器系統(tǒng)集中控制器的功能，通過該模塊實(shí)現(xiàn)對兩個(gè)并網(wǎng)逆變器的協(xié)調(diào)控制，該模塊由s－function實(shí)現(xiàn)。950 kW仿真模塊為950 kW功率單元，50 kW仿真模塊為50 kW功率單元。

圖4 高效1 MW光伏并網(wǎng)逆變器控制仿真模型圖

參數(shù)可變PI調(diào)節(jié)器封裝到了power模塊內(nèi)部，首先對參數(shù)可變PI調(diào)節(jié)器和普通PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行仿真驗(yàn)證。首先在相同的功率突變仿真條件下，分別對參數(shù)不同的單一參數(shù)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行仿真研究。圖5所示為PI調(diào)節(jié)器參數(shù)較大時(shí)的仿真波形，其中在仿真時(shí)間為1.5 s時(shí)突加功率而在2.4 s突減功率，由仿真波形可以看出，功率突變時(shí)系統(tǒng)反應(yīng)迅速，但有輕微振動(dòng);圖6所示為PI調(diào)節(jié)器參數(shù)較小時(shí)的仿真波形，其中在仿真時(shí)間為1 s時(shí)突加功率而在2 s突減功率，可以看出直流母線電壓超調(diào)較大，并且震蕩加劇，調(diào)節(jié)時(shí)間變長。

圖5 普通PI調(diào)節(jié)器功率突變仿真波形圖

圖6 普通PI調(diào)節(jié)器小參數(shù)功率突變仿真波形圖

圖7所示為采用參數(shù)可變PI調(diào)節(jié)器時(shí)的仿真波形，在仿真時(shí)間1 s時(shí)突加功率而在2 s時(shí)突減功率。圖7(b)所示為調(diào)節(jié)器比例參數(shù)Kp變化波形，可見調(diào)節(jié)器參數(shù)在功率變化時(shí)同時(shí)變化。當(dāng)輸出功率階躍變化時(shí)，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)自動(dòng)變大，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能顯著提高，直流母線電壓超調(diào)較小且無震蕩。同時(shí)在穩(wěn)態(tài)下PI調(diào)節(jié)器參數(shù)較小，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖7 參數(shù)可變PI調(diào)節(jié)器直流母線電壓仿真波形圖

圖8 功率單元直接并網(wǎng)與退網(wǎng)仿真波形圖

圖9 功率單元功率協(xié)調(diào)控制并網(wǎng)與退網(wǎng)仿真波形圖

在功率協(xié)調(diào)控制仿真中，為更好的對比切換過程中的擾動(dòng)狀態(tài)，兩個(gè)功率單元仿真并網(wǎng)功率較大。圖8所示為直接并網(wǎng)方式仿真波形圖，圖中Vdc為直流母線電壓波形，i0為兩個(gè)功率單元總并網(wǎng)電流波形，i1為小功率單元并網(wǎng)電流波形，i2為大功率單元并網(wǎng)電流波形。首先小功率單元單獨(dú)運(yùn)行，運(yùn)行至0.5 s時(shí)，直接并入大功率單元，1.5 s時(shí)直接將小功率單元退出系統(tǒng)。由圖8可見，仿真中直流母線電壓和總并網(wǎng)電流在大功率單元并網(wǎng)和小功率單元退網(wǎng)過程中，直流母線電壓有較大的波動(dòng)。圖9所示為本文提出的功率協(xié)調(diào)控制方法仿真結(jié)果，仿真波形對應(yīng)關(guān)系與圖8相同。由圖9可見，在兩個(gè)功率單元切換過程中，直流母線電壓穩(wěn)定在650 V，未出現(xiàn)切換擾動(dòng)。

4 結(jié)束語

本文針對提出的高效光伏逆變系統(tǒng)中不平衡功率單元無擾切換問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并提出了有效解決方案，

(1)采用可變參數(shù)PI調(diào)節(jié)器代替普通PI調(diào)節(jié)器，不僅能夠提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，并且可以減小擾動(dòng)。

(2)通過一個(gè)控制器，對兩個(gè)并網(wǎng)逆變器進(jìn)行功率協(xié)調(diào)控制。

通過提出的解決方法，既保證了系統(tǒng)并聯(lián)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器的無擾切換，實(shí)現(xiàn)了較好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)控制性能。仿真結(jié)果表明，本文提出的方法可行并且解決了不同功率單元切換擾動(dòng)問題，達(dá)到了無擾切換的控制目標(biāo)。

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