可調(diào)度型光伏逆變器滑模電壓控制方法研究

李清然，張建成

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 0 71003)

可調(diào)度型光伏逆變器滑模電壓控制方法研究

李清然，張建成

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 0 71003)

為改善小容量戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的有功無功調(diào)度跟蹤性能及并/離網(wǎng)切換控制性能，提出一種逆變器滑模電壓控制方案。光伏發(fā)電系統(tǒng)并/離網(wǎng)運(yùn)行情況下逆變器均采用電壓控制模式，無需模式切換。采用滑?？刂品椒▽?shí)現(xiàn)逆變器電壓控制，根據(jù)有功無功的調(diào)度指令，調(diào)節(jié)逆變器輸出的端電壓，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)模式下逆變器輸出功率靈活快速跟蹤調(diào)度指令的特性。在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)對(duì)所提出的控制方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，所提控制方案簡單易行、功率快速跟蹤調(diào)度指令能力強(qiáng)、并/離網(wǎng)過程迅速無沖擊。

有功/無功;可調(diào)度性;電壓控制;滑?？刂?并/離網(wǎng)

0 引言

隨著能源和環(huán)境問題日益突出，分布式發(fā)電技術(shù)得到廣泛關(guān)注［1～3］。國家電網(wǎng)公司頒布的《國家電網(wǎng)公司關(guān)于印發(fā)分布式電源并網(wǎng)相關(guān)意見和規(guī)范的通知》提出為分布式光伏發(fā)電的發(fā)展提供優(yōu)惠優(yōu)質(zhì)服務(wù)，推動(dòng)了小型戶用并網(wǎng)光伏發(fā)電的發(fā)展。逆變器作為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的接口，其性能優(yōu)劣直接影響用戶和電網(wǎng)的電能質(zhì)量［4，5］，開展對(duì)逆變器的研究對(duì)分布式光伏發(fā)電推廣意義重大。

目前常用的逆變器控制策略有 PI控制［6，7］、比例諧振控制［8，9］、重復(fù)控制［10］、無差拍控制［11］等，這些控制方法各自有其優(yōu)點(diǎn)同時(shí)仍存在一些不足。PI控制原理簡單，但控制精度較差;比例諧振控制可以消除穩(wěn)態(tài)誤差但存在帶寬限制問題;重復(fù)控制對(duì)于死區(qū)等周期性擾動(dòng)有良好校正作用，但其對(duì)于非周期性擾動(dòng)效果較差;無差拍控制動(dòng)態(tài)性能好，但其對(duì)運(yùn)算速度和系統(tǒng)模型精確性的要求很高，限制了其在工程上的應(yīng)用。

并/離網(wǎng)雙模式逆變器多采用混合電壓電流控制模式［12，13］。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)控制逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng);而離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)逆變器采用輸出電壓控制方案。因此并/離網(wǎng)運(yùn)行方式切換需要伴隨逆變器控制模式切換，比較復(fù)雜，并且切換過程中存在負(fù)載電能質(zhì)量較差、沖擊電壓電流過大等問題，不利于電網(wǎng)和逆變器安全運(yùn)行。目前無縫切換技術(shù)［14～18］還存在控制復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)困難等問題。由于光伏系統(tǒng)輸出功率具有隨機(jī)性和不可控性，隨著光伏電源滲透率的增加，如何控制其輸出功率，使其參與電網(wǎng)調(diào)度也成為電網(wǎng)即將面臨的問題，而目前這方面的研究還比較少。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了光伏系統(tǒng)并/離網(wǎng)運(yùn)行方式下的逆變器電壓控制方案，在光伏系統(tǒng)運(yùn)行方式切換過程中，無需對(duì)逆變器的控制模式進(jìn)行切換，簡單易實(shí)現(xiàn)，對(duì)于負(fù)載、電網(wǎng)和逆變器安全無沖擊。由于小型的戶用光伏系統(tǒng)可能需要比較頻繁的并/離網(wǎng)操作，因此在并網(wǎng)模式下逆變器采用電壓控制相對(duì)于電流控制有較大優(yōu)越性。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)通過調(diào)節(jié)逆變器的輸出端電壓實(shí)現(xiàn)有功和無功的快速跟蹤，可以靈活方便地進(jìn)行功率調(diào)度控制。另外根據(jù)用戶對(duì)逆變器的需求，逆變器應(yīng)該具有較寬的直流輸入電壓適應(yīng)范圍、對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的不敏感性和魯棒性以及良好的動(dòng)態(tài)特性?；？刂凭哂许憫?yīng)速度快、對(duì)參數(shù)和擾動(dòng)不敏感、簡單易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法實(shí)現(xiàn)上述逆變器控制方案。

1 可調(diào)度型單相光伏逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對(duì)于小容量的戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)，多采用單相全橋逆變器與電網(wǎng)相連。因此本文依托單相全橋逆變器展開研究，所采用的單相逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單相逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1中Udc表示等效替代直流電壓源;Lf，Cf表示濾波電感和電容;R+jX表示電纜線路的阻抗;Rload表示用戶的本地負(fù)載;us表示電網(wǎng)。S1為并網(wǎng)開關(guān)，當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，S1斷開隔離故障。S2為本地負(fù)載用電選擇單刀雙擲開關(guān)，電網(wǎng)為本地負(fù)載供電時(shí)，S2擲于a;光伏發(fā)電系統(tǒng)為本地負(fù)載供電時(shí)，S2擲于b。S3為光伏發(fā)電系統(tǒng)出口開關(guān)，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)故障時(shí)，S3斷開隔離故障。圖1虛線框中為光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式不同的參考電壓生成方式。

光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池經(jīng)過DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤和升壓功能，同時(shí)可調(diào)度型光伏系統(tǒng)必然要求配備一定容量的儲(chǔ)能裝置，滿足功率調(diào)度需求。因本文討論重點(diǎn)在于逆變器控制，簡單起見，將這部分電路用電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的直流電源Udc等效替代。光伏系統(tǒng)輸出的直流電能，經(jīng)過逆變器和濾波器后轉(zhuǎn)變?yōu)榉弦蟮墓ゎl交流電并入電網(wǎng)。小容量的戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)，多經(jīng)過電纜線路并入電網(wǎng)，由于電壓等級(jí)比較低，所以線路電阻不能忽略。

2 逆變器滑模電壓控制方法

傳統(tǒng)的并/離網(wǎng)雙模式逆變器多采用混合電壓電流控制模式。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，將逆變器等效為電壓源，采用電壓模式控制結(jié)構(gòu)，控制輸出電壓瞬時(shí)值;當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，將逆變器等效為電流源，采用電流模式控制結(jié)構(gòu)，控制并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)。在并/離網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行方式切換時(shí)，逆變器的控制結(jié)構(gòu)也要相應(yīng)切換，切換過程中負(fù)載電能質(zhì)量較差，對(duì)電網(wǎng)造成一定沖擊。對(duì)于小容量戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)，天氣較好的白天并網(wǎng)發(fā)電，為了防止電網(wǎng)功率倒送，夜間及陰雨等不能發(fā)電時(shí)一般將其與電網(wǎng)分離，因此需要頻繁的并/離網(wǎng)操作，逆變系統(tǒng)顯然不適合采用上述傳統(tǒng)控制方法。

本文所提滑模電壓控制方案，無論光伏系統(tǒng)并網(wǎng)、離網(wǎng)運(yùn)行，逆變器均采用電壓控制，不存在電壓電流控制模式切換，滑模控制作用下電壓穩(wěn)定性好，并/離網(wǎng)操作過程中負(fù)載電能質(zhì)量良好，對(duì)電網(wǎng)無沖擊。

下面詳細(xì)分析并/離網(wǎng)運(yùn)行方式下光伏逆變器滑模電壓控制方案的設(shè)計(jì)過程。

2.1 參考電壓生成

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，逆變器的控制目標(biāo)為輸出功率跟蹤電網(wǎng)功率調(diào)度指令的要求;光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，逆變器的控制目標(biāo)為保證負(fù)載的電能質(zhì)量。根據(jù)不同的控制目標(biāo)，逆變器輸出電壓參考值ucref的生成方式不同。

2.1.1 并網(wǎng)模式

如圖1所示，在并網(wǎng)模式下，并網(wǎng)開關(guān)S1閉合，本地負(fù)載選擇開關(guān)S2接入a點(diǎn)，S3閉合。參考電壓生成方式選擇虛線框中并網(wǎng)模式方式。

根據(jù)有功和無功的調(diào)度指令確定逆變器輸出電壓，可以實(shí)現(xiàn)有功無功的解耦控制。設(shè)Pref，Qref分別為逆變器輸出功率調(diào)度指令，Ip，Iq分別為逆變器輸出有功電流、無功電流參考值。Up，Uq分別為有功電流Ip、無功電流Iq在線路阻抗R+jX上引起的壓降，則:

參考電壓生成原理如圖2所示。

圖2 參考電壓生成原理

則逆變器輸出電壓參考值為:

由式 (4)可見，有功無功可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)解耦控制。有功、無功調(diào)度指令變化后，逆變器輸出電壓參考值的幅值和其相對(duì)于電網(wǎng)的相位會(huì)相應(yīng)變化，逆變器輸出電壓uc在滑模電壓控制模塊作用下跟蹤參考值ucref從而保證逆變器輸出功率跟蹤功率調(diào)度指令。

2.1.2 離網(wǎng)模式

電網(wǎng)故障情況或者因用戶需要頻率等與市電不同的特殊電能而使光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，如圖1所示，并網(wǎng)開關(guān)S1打開，本地負(fù)載用電選擇開關(guān)S2接入b點(diǎn)，不再經(jīng)過電纜線路，S3閉合，由光伏發(fā)電系統(tǒng)為本地負(fù)載供電。逆變器的輸出電壓參考值ucref可以選擇用戶給定的參考電壓，參考電壓的幅值頻率等參數(shù)根據(jù)用戶自身需要而定。

光伏發(fā)電系統(tǒng)并/離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，滑模電壓控制作用下逆變器的輸出電壓跟蹤參考電壓，下面分析滑模電壓控制的設(shè)計(jì)過程。

2.2 滑模電壓控制

取逆變器輸出濾波電容電壓及其導(dǎo)數(shù)為狀態(tài)變量，建立狀態(tài)方程如下:

式中:Ro在并網(wǎng)模式下為電纜阻抗、本地負(fù)載阻抗、逆變器并網(wǎng)功率等效阻抗組成的綜合阻抗，在離網(wǎng)模式下為本地負(fù)載阻抗。u表示開關(guān)器件VT1－VT4的通斷狀態(tài)。

為控制逆變器輸出電壓，以狀態(tài)偏差量建立滑模面函數(shù):

式中:c為滑模面系數(shù)。

采用指數(shù)趨近律縮短到達(dá)滑模面的時(shí)間:

式中:ε和k為指數(shù)趨近律系數(shù)。k能保證當(dāng)s較大時(shí)系統(tǒng)以較大的速度趨近滑動(dòng)模態(tài)，ε使得當(dāng)s接近0時(shí)，趨近速度不是0，保證系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)滑動(dòng)模態(tài)。通過選擇合理的ε和k(ε＞0且ε很小，k＞0且k適當(dāng)大)可以保證快速趨近并削弱抖振現(xiàn)象。

聯(lián)立式 (5)～(9)得到等效占空比:

由于等效占空比中含有直流側(cè)電壓Udc，所以控制系統(tǒng)對(duì)于逆變器直流側(cè)電壓的波動(dòng)有良好的魯棒性。

聯(lián)立式 (5)～(10)并化簡得到:

滿足滑模存在性及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3 仿真與分析

在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建模型進(jìn)行仿真。選取濾波器參數(shù)為Lf=5 mH，Cf=10 μF。光伏系統(tǒng)出口選擇400 V低壓電纜并網(wǎng)，濾波器出口到電網(wǎng)距離取為1.5 km?；Ｃ嫦禂?shù)c=3 000，指數(shù)趨近律系數(shù)ε=5，k=2 500，開關(guān)器件工作的頻率為10 kHz?？紤]如下方面:

(1)有功功率調(diào)度指令Pref、無功功率調(diào)度指令Qref變化條件下，檢測逆變系統(tǒng)輸出功率跟蹤調(diào)度指令的能力。

(2)直流電壓Udc變化條件下，檢測逆變器的直流輸入電壓適應(yīng)能力。

(3)并/離網(wǎng)運(yùn)行方式切換條件下，檢測切換過程中負(fù)載電能質(zhì)量以及注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

(4)本地負(fù)載Rload變化條件下，檢測逆變器負(fù)載適應(yīng)能力。

在實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)中，上述變化或者擾動(dòng)隨機(jī)發(fā)生，最惡劣的情況即同時(shí)交叉發(fā)生，因此本文在仿真中考慮同時(shí)交叉發(fā)生的情況。

設(shè)定仿真時(shí)間為1 s，0.125 s時(shí)刻并網(wǎng)，0.935 s時(shí)刻離網(wǎng)，本地負(fù)載電阻在0.54 s由10+j9.4 Ω突變?yōu)?0+j15.7 Ω。逆變器直流輸入電壓的擾動(dòng)如圖3所示，直流電壓波動(dòng)范圍為450～550 V。

圖3 逆變器直流輸入電壓變化

0.125～0.935 s并網(wǎng)時(shí)間內(nèi)，有功功率調(diào)度指令變化情況及逆變器輸出有功功率跟蹤調(diào)度指令情況如圖4所示，無功功率調(diào)度指令變化情況及逆變器輸出無功功率跟蹤調(diào)度指令情況如圖5所示。

圖4 有功調(diào)度指令及有功跟蹤情況

圖5 無功調(diào)度指令及無功跟蹤情況

由圖3～5可見在直流輸入電壓擾動(dòng)情況下，有功、無功的調(diào)度指令變化時(shí)，逆變器輸出功率能夠在0.02 s內(nèi)跟蹤調(diào)度指令達(dá)到穩(wěn)定，逆變器輸出功率跟蹤調(diào)度指令能力良好。有功和無功調(diào)度與跟蹤相對(duì)獨(dú)立互不影響。

0～1 s內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)并/離網(wǎng)運(yùn)行方式切換、功率調(diào)度指令變化及負(fù)載突變等情況交叉發(fā)生過程中，本地負(fù)載的電壓和電流波形如圖6所示，圖7為光伏系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)刻、離網(wǎng)時(shí)刻、負(fù)載突變時(shí)刻負(fù)載電壓局部放大圖，圖8為負(fù)載電流傅里葉諧波分析得到各次諧波相對(duì)于基波的幅值。

圖6 本地負(fù)載電壓電流

由圖6與圖7可見，在0.125 s并網(wǎng)及0.935 s離網(wǎng)時(shí)刻，負(fù)載電壓迅速切換后穩(wěn)定，不存在超調(diào)或者振蕩情況，負(fù)載電能質(zhì)量良好，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能良好。在直流電壓擾動(dòng)及功率調(diào)度指令突變等不利情況下，0.54 s負(fù)載突變，負(fù)載電壓不受影響，負(fù)載適應(yīng)能力良好。

圖7 并網(wǎng)/離網(wǎng)/負(fù)載突變情況下負(fù)載電壓局部放大

圖8 負(fù)載電流傅里葉諧波分析

由圖8負(fù)載電流傅里葉諧波分析結(jié)果可見負(fù)載電流總諧波畸變THD為0.31%，負(fù)載電能質(zhì)量滿足要求。

0～1 s光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)電流及其傅里葉諧波分析得到各次諧波相對(duì)于基波的幅值如圖9所示。

圖9 并網(wǎng)電流及其傅里葉諧波分析

由圖9可見，在圖3所示逆變器直流電壓波動(dòng)及0.54 s負(fù)載突變等情況下，圖4、圖5所示功率調(diào)度指令變化后并網(wǎng)電流迅速跟蹤調(diào)度指令進(jìn)行調(diào)整，暫態(tài)過程非常短，在0.005 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，跟蹤迅速無超調(diào)無振蕩，波形良好，并網(wǎng)電流總諧波畸變率為1%，電能質(zhì)量滿足并網(wǎng)要求，體現(xiàn)了滑?？刂葡到y(tǒng)對(duì)于參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)的不敏感性和魯棒性以及良好的動(dòng)態(tài)特性。

圖10為0.125 s并網(wǎng)時(shí)刻、0.935 s離網(wǎng)時(shí)刻并網(wǎng)電流局部放大情況。

圖10 并/離網(wǎng)過程并網(wǎng)電流局部放大

由圖10可見并/離網(wǎng)切換過程平滑快速無沖擊，充分體現(xiàn)了電壓源控制模式相對(duì)于混合電壓電流控制模式在并/離網(wǎng)切換過程的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

逆變器性能優(yōu)劣直接影響用戶及電網(wǎng)電能質(zhì)量。本文以小容量戶用光伏系統(tǒng)中逆變器輸出功率靈活可調(diào)度與并/離網(wǎng)快速無沖擊為目標(biāo)，提出了一種簡單易實(shí)現(xiàn)、控制性能優(yōu)良的并/離網(wǎng)滑模電壓控制方案。在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上建模仿真，結(jié)果表明，所提控制方案在有功無功可調(diào)度性及并/離網(wǎng)切換方面性能優(yōu)越，為分布式光伏推廣提供支持。

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Research on Schedulable Type of Photovoltaic Inverter Sliding Mode Voltage Control Method

Li Qingran，Zhang Jiancheng
(School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In order to improve the active and reactive scheduling and tracking performance and grid-tied/stand-alone mode transfer control performance of inverter for small capacity household photovoltaic(PV)system，a new sliding mode voltage control scheme was proposed．Inverter adopted voltage control during grid-tied/stand-alone period of PV system，without controlling mode switch．And voltage control was realized by using sliding mode control method．According to the active and reactive power dispatch instructions，the inverter output voltage was adjusted，to realize the inverter output power characteristics of flexible fast track scheduling commands in the grid-connected process．Simulations were carried out in the MATLAB/SIMULINK platform to verify the proposed control strategy．Finally，the results show that the proposed control scheme is simple to realize，can track power instruction quickly，and has no negative impact during rapid grid-tied/stand-alone mode transfer process．

active/reactive power;schedulable features;voltage control;sliding mode control;grid-tied/stand-alone

TM615

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.06.001

2015－03－24。

國家自然科學(xué)基金 (51177047)。

李清然(1989-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)，E-mail:qingr_li@126.com。