光伏發(fā)電逆變并網(wǎng)系統(tǒng)復合控制策略

孟軍+徐先勇+方璐+賀西+汪沨

摘 要：研究了一種適用于兼顧無功補償?shù)奈⒕W(wǎng)光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，提出一種單相光伏逆變器的復合控制方法.根據(jù)單相光伏逆變器的功率平衡原理，推導出光伏逆變器的直流側(cè)二次紋波電壓的大小，由此進行校正補償消除逆變器輸出的三次諧波電流.光伏單相并網(wǎng)逆變器的前饋基波調(diào)制信號可由其穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型得出，從而進行輸出電流快速前饋控制，然后利用無差拍控制器來實現(xiàn)輸出電流的閉環(huán)控制，從而形成了前饋+反饋的復合控制方法，可以實現(xiàn)單相逆變器輸出電流的快速、無差跟蹤.實驗和仿真結(jié)果表明了本文所提出的復合控制方法能夠提高光伏并網(wǎng)逆變器的工作性能，并改善微網(wǎng)的電能質(zhì)量.

關(guān)鍵詞：微網(wǎng)；復合控制；有功功率控制；無功功率控制；光伏發(fā)電

中圖分類號：TK514 文獻標志碼：A

Hybrid Control Strategy of Photovoltaic Generation Inverter Grid-connected Operating System

MENG Jun1，2， XU Xianyong2， FANG Lu3， HE Xi3， WANG Feng3

（1. Business School， Central South University， Changsha 410083， China；

2.Hunan Electric Power Company， Changsha 410007， China；

3.Modern Engineering Training Center， Hunan University， Changsha 410082， China）

Abstract：A kind of micro-grid photovoltaic inverter system considering the reactive power compensation was studied， and a compound control method for photovoltaic inverter was proposed. According to the power balance principle of single-phase photovoltaic inverter， the value of dc-side second-ripple voltage was deduced. Thus， it can modify and eliminate the output third harmonic current of photovoltaic inverter. Based on the steady-state mathematical model of single-phase inverter， the feed forward fundamental modulation signal of the inverter can be calculated， and then the output current closed-loop control can be realized by using deadbeat controller. As a result， the feed forward-feedback compound control method was formed， which can achieve fast and zero-error tracking of output current. The experiment and simulation results show that the proposed compound control method can effectively improve the dynamic performance of single-phase and perfect the power quality of distribution grid.

Key words：micro grid； hybrid control strategy； active power control； reactive power control； photovoltaic generation

隨著全球能源發(fā)展戰(zhàn)略的變化，開發(fā)和利用綠色能源已經(jīng)成為世界各國關(guān)注的焦點.太陽能作為一種可持續(xù)發(fā)展的綠色能源，其開發(fā)和利用已經(jīng)引起世界各國和研究機構(gòu)的高度重視，能源專家和工程技術(shù)人員對其開發(fā)利用進行了大量研究.建立光伏分布式發(fā)電系統(tǒng)，有助于為用戶提供豐富的綠色能源[1-2].同時也是實現(xiàn)我國節(jié)能減排和治理環(huán)境污染以及解決化石能源短缺的重要舉措[3-5].

由光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理和構(gòu)成可知，光伏電池輸出為直流電，必須通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電才能并網(wǎng)和向負荷供電[6].光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略主要是為了提高光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓信號的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能[7-9].在以光伏發(fā)電為主要微源的微網(wǎng)及含微網(wǎng)配電系統(tǒng)中，存在大量的感性負荷和非線性負載，其產(chǎn)生的大量無功功率會導致系統(tǒng)功率因數(shù)偏低，并使電壓偏低以及線路損耗加大[10-11].非線性負載還會產(chǎn)生各種頻次的諧波，造成微網(wǎng)系統(tǒng)的諧波污染、引發(fā)微網(wǎng)諧振，對微網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成影響.根據(jù)現(xiàn)有的文獻來看，目前普遍使用的光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有無功補償?shù)墓δ?，以保證其最大輸出有功功率.非線性負載所引起的無功問題一般采取裝設(shè)專用的固定無功補償裝置或者靜止無功發(fā)生器等裝置進行動態(tài)無功補償，這增加了系統(tǒng)的成本，同時新增的無功補償裝置也會帶來新的電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定運行方面的問題[12].

本文針對微網(wǎng)中現(xiàn)有技術(shù)的不足和存在的問題，提出一種兼顧無功補償?shù)奈⒕W(wǎng)光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由光伏陣列電池、單相逆變器、輸出濾波器組成，可以實現(xiàn)微網(wǎng)有功和無功動態(tài)輸出、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓.在闡述該逆變系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，提出了一種單相光伏逆變器的復合控制方法.該復合控制方法主要由基于逆變器數(shù)學模型的前饋控制和基于無差拍控制的反饋控制組成.仿真結(jié)果表明復合控制系統(tǒng)能有效提高單相逆變器的工作性能，改善微網(wǎng)的電能質(zhì)量.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)光伏逆變并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括光伏陣列電池、Boost變換器[13]、單相全橋逆變器、輸出濾波器L.光伏陣列電池的輸出通過Boost變換器升壓，輸出連接單相電壓型逆變器的直流側(cè)電容；單相電壓型逆變器將直流電通過PWM 逆變器轉(zhuǎn)換成單相交流電，再經(jīng)由輸出濾波器并聯(lián)接入電網(wǎng).圖1中S1為功率管；C1為光伏陣列電池輸出電容；C為單相全橋逆變器直流側(cè)電容；Ls為輸電線路電感.光伏陣列電池輸出電壓信號為upv；電流信號為Ipv；us，udc，iC，is，iL分別為電網(wǎng)電壓、逆變器直流側(cè)電壓、逆變器輸出電流、電網(wǎng)電流和負載電流.由于微網(wǎng)中一般存在壓縮機、電動機和日光燈等感性負載，會產(chǎn)生一定量的無功功率，降低微網(wǎng)的功率因數(shù)，影響微網(wǎng)的電能質(zhì)量.為此，本文提出了一種兼顧無功補償?shù)墓夥⒕W(wǎng)逆變器，該逆變器在向電網(wǎng)輸出有功功率的同時，還能夠向鄰近的感性負荷輸送一定的無功功率，從而改善微網(wǎng)的電能質(zhì)量.

2 功率平衡及直流側(cè)電壓紋波分析

下面考察電網(wǎng)側(cè)單相逆變電路對直流側(cè)電容電壓的影響.設(shè)電網(wǎng)電壓us的表達式為：

其中，U為電網(wǎng)電壓幅值，ω為基波角頻率.假設(shè)單相光伏逆變器通過閉環(huán)控制技術(shù)，可以實現(xiàn)交流電流的閉環(huán)跟蹤，向電網(wǎng)輸出額定的有功電流，同時向電網(wǎng)輸出一定的無功電流來補償負載產(chǎn)生的感性無功.設(shè)輸出單相電流為：

I表示電網(wǎng)電流的幅值，Ip和Iq分別表示輸入電流中的有功和無功電流的幅值，φ表示功率因數(shù)角，且有Ip=Icos φ，Iq=Isin φ.假設(shè)光伏逆變器的輸出有功功率為Pd，同時向電網(wǎng)補償?shù)臒o功功率為QC，忽略逆變器的功率損耗，則有：

輸出濾波電感值為L，則有電感電壓為：

則單相逆變器輸出功率：

由此可見單相光伏逆變輸出的功率，除了有功直流部分UIcos φ/2，還存在二次功率脈動.設(shè)直流側(cè)電壓udc由2部分組成：

式中Ud為直流側(cè)電壓穩(wěn)態(tài)部分，Δu為直流側(cè)電壓紋波部分且令Δu=δsin （2ωt+φ），δ為直流側(cè)二次電壓紋波的幅值.

可以求得直流側(cè)電容產(chǎn)生的功率為：

根據(jù)能量平衡的原理，忽略直流側(cè)電容產(chǎn)生的4次脈動功率量，則有：

由于輸出濾波電感的電壓幅值ωLI遠遠小于電網(wǎng)電壓最大值U，故可以忽略由于輸出濾波電感引起的二次功率脈動.可以計算出直流側(cè)二次電壓紋波的幅值δ和相角φ為：

由上述分析可知，因為交流側(cè)的電壓電流均是正弦量，乘積得到的瞬時功率由平均功率和按二倍頻變化的脈動功率組成，這種波動功率導致直流側(cè)電容電壓二倍頻紋波的產(chǎn)生.紋波的大小與光伏并網(wǎng)系統(tǒng)容量成正比，與直流側(cè)電容值和電壓值成反比.

3 光伏逆變系統(tǒng)的復合控制方法

本文研究的光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)由Boost變換器和單相全橋逆變器兩部分組成.系統(tǒng)的前級Boost變換器主要用來進行MPPT跟蹤控制，為了實現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤，本文選取電壓閉環(huán)控制方法[14].本文針對后級單相光伏逆變器提出了一種復合控制方法，其控制框圖如圖2所示.

依據(jù)圖2，本文所提復合控制策略主要由以下幾部分構(gòu)成：

1）MPPT控制部分

能量轉(zhuǎn)換效率是評估太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)性能的一個重要指標，一般通過提高太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率或通過采取先進的控制方法提高逆變器系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率兩個方面來提高光伏發(fā)電系統(tǒng)整體的能量轉(zhuǎn)換效率.目前，由于研制高效率的太陽能電池在技術(shù)程度上受到局限，故對太陽能電池的最大功率跟蹤控制技術(shù)成為當前研究的熱點課題，目前廣泛使用的有多種算法，如固定電壓法、擾動觀察法、電導增量法、間歇掃描法、模糊邏輯法等.

上述各類MPPT算法各有優(yōu)點與缺點，本文控制方法主要針對實際樣機，更關(guān)心MPPT算法實現(xiàn)的難易程度和跟蹤精度，圖2中選擇擾動觀察法作為本文的MPPT控制方法.圖2中光伏陣列電池輸出電壓信號upv、電流信號Ipv經(jīng)過MPPT算法輸出指令電壓信號u*pv和有功功率Pd，其中u*pv和upv構(gòu)成閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，二者差值作為PI控制器的輸入，PI控制器輸出信號經(jīng)過PWM調(diào)試之后驅(qū)動光伏Boost變換器.Boost變換器輸出的直流側(cè)電壓與逆變控制時直流側(cè)電壓的耦合如下：對于BOOST電路有upv=udc*toff/T，其中T為開關(guān)周期，toff為開關(guān)閉合時間.Boost變換器高壓側(cè)電壓udc由后級逆變器經(jīng)PI控制維持，MPPT控制的核心其實為改變Boost電路開關(guān)周期的占空比toff/T.在其高壓測電壓由后級逆變器的維持下，改變占空比即改變了Boost電路低壓側(cè)光伏板的輸出電壓，以實現(xiàn)MPPT.

2）逆變器雙閉環(huán)控制部分

圖2中逆變器雙閉環(huán)控制部分以逆變器直流側(cè)參考電壓u*dc與檢測的直流側(cè)電壓udc構(gòu)成電壓外環(huán)閉環(huán)控制部分.u*dc與udc相減，然后減去式（9）所得出的二次電壓紋波分量，其差值經(jīng)過式（11）變換后得出電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)控制部分的指令信號i*f.電流內(nèi)環(huán)控制部分以光伏逆變器的輸出電流iC作為反饋量.

3）逆變器基波前饋控制部分

圖2中無差拍控制器的輸出信號ΔVf與式（15）計算得出的前饋基波調(diào)制信號Vf相加構(gòu)成逆變器基波前饋控制部分.

上述圖2中的MPPT控制部分為較成熟控制，本文就不再詳細闡述.圖2中的逆變器雙閉環(huán)控制部分和逆變器基波前饋控制部分詳細推導，見下文.

根據(jù)交直流側(cè)功率平衡的原理，直流側(cè)電壓外環(huán)存在二次紋波脈動[15-16]，如果引入閉環(huán)控制系統(tǒng)中會使逆變器輸出三次諧波電壓和電流.三次諧波信號的產(chǎn)生機理如下：

電壓外環(huán)的跟蹤誤差經(jīng)過控制器調(diào)節(jié)后，乘以電壓同步信號，即得到電流內(nèi)環(huán)的指令信號.假設(shè)電壓外環(huán)為P控制，其增益為K，由于電壓外環(huán)存在二次紋波，則由紋波電壓而產(chǎn)生的指令電流為：

由此可見，二次紋波電壓會產(chǎn)生額外的三次諧波電流和基波電流指令，其幅值為Kδ/2.為此本文針對直流側(cè)電壓外環(huán)控制，提出了二次紋波電壓的濾除方法，消除紋波干擾，實現(xiàn)直流側(cè)電壓正?？刂?首先將直流側(cè)參考電壓u*dc與檢測的直流側(cè)電壓udc相減，可以得到直流側(cè)電壓的直流分量的跟蹤誤差，經(jīng)過PI控制器的調(diào)節(jié)處理后減去二次紋波分量，最后得到直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)指令I(lǐng)dc.

根據(jù)調(diào)節(jié)指令I(lǐng)dc、有功功率Pd和補償無功功率QC，可以計算出光伏逆變器的基波指令信號i*f：

其中U為電網(wǎng)電壓幅值，ωt由系統(tǒng)鎖相環(huán)獲得.無功功率QC可以通過檢測負載電流iL由單相瞬時ip-iq算法求得.Idc由電壓的閉環(huán)PI控制輸出，可以維持逆變器的直流側(cè)電壓穩(wěn)定，彌補功率器件損耗導致的電壓下降.通過實時檢測光伏并網(wǎng)逆變器輸出的有功功率和無功功率，可以快速計算出期望輸出的基波電流大小，從而實現(xiàn)對基波電流的快速響應.

然后將光伏逆變器的基波指令信號i*f與光伏逆變器的輸出電流iC相減，得到電流的跟蹤誤差信號εf，然后經(jīng)過無差拍控制器的處理，得到基波跟蹤誤差調(diào)制信號ΔVf.這樣通過無差

拍控制器的閉環(huán)控制[17-18]，輸出基波電流跟蹤誤差的微調(diào)信號，實現(xiàn)對基波電流的動態(tài)無差跟蹤.無差拍控制公式如下：

其中ur為調(diào)制波，Ts為控制周期，us為網(wǎng)側(cè)電壓.忽略單相光伏逆變器的功率損耗，則有單相光伏逆變器穩(wěn)定運行時的輸出基波電壓為：

則可以求得逆變器穩(wěn)定運行時的基波調(diào)制信號：

實現(xiàn)功率的快速跟蹤.根據(jù)有功功率Pd、補償無功功率QC和電網(wǎng)電壓，計算出前饋基波調(diào)制信號為：

其中ω，L分別為基波角頻率和輸出濾波電感值.通過式（15）可以快速控制逆變器輸出期望的電壓電流信號，實現(xiàn)對基波指令電流的快速響應.將單相光伏逆變器的基波跟蹤誤差調(diào)制信號ΔVf和前饋基波調(diào)制信號相加Vf，得到單相光伏逆變器的基波調(diào)制信號V*f.

將光伏逆變器的基波調(diào)制信號送入PWM調(diào)制單元，輸出得到逆變器的開關(guān)驅(qū)動信號，驅(qū)動逆變器使之輸出期望的電壓電流.這樣控制系統(tǒng)形成了前饋控制+反饋控制的復合控制方法，有效結(jié)合了前饋控制的快速響應速度和反饋的閉環(huán)跟蹤特性，實現(xiàn)了對輸出功率的快速、無差跟蹤，大大提高了光伏逆變器的性能.

4 仿真驗證

利用PSIM6.0模擬光伏發(fā)電系統(tǒng)，對本文所提出的適用于微網(wǎng)的光伏發(fā)電逆變并網(wǎng)逆變系統(tǒng)及其控制算法進行了仿真研究.仿真原理圖如圖1所示，光伏陣列電池使用其數(shù)學模型進行模擬，整個系統(tǒng)仿真參數(shù)如下：系統(tǒng)配單相電網(wǎng)側(cè)電壓為220 V；頻率為50 Hz；阻感負載參數(shù)中電感為15 mH，電阻為5Ω；輸電線路電感為0.02 mH；直流側(cè)電容為5 000 μF；輸出濾波電感為2.25 mH；單相光伏逆變器的額定容量為20 kVA.

1）直流側(cè)電壓紋波校正效果

當系統(tǒng)不投入感性負載，僅光伏逆變器進行有功功率輸出到電網(wǎng)，有功功率為12 kW.從圖3中可以看到，由于交流側(cè)的二次功率脈動會使直流側(cè)電壓產(chǎn)生二次紋波電壓.當次紋波不校正時，由此產(chǎn)生額外的三次諧波電流指令，從而使單相逆變器輸出電流中含有三次諧波電流.由于電壓外環(huán)的增益為2，所以檢測到紋波電壓幅值約為4.68 V和三次諧波電流幅值約為4.68 A，二者大小基本相等.

從圖4中可以看到，當電壓外環(huán)采取二次紋波校正時，由于電壓外環(huán)輸出不含二次紋波，從而使逆變器輸出電流中不含有三次諧波電流，輸出電流為基波正弦波，有效改善了光伏逆變器的輸出品質(zhì).

式（14）可作為光伏逆變器PWM調(diào)制時的前饋指令信號，從而迅速跟蹤指令信號的變化，

2）輸出電流的動態(tài)跟蹤效果

圖5（a）為負載電流波形，在0.3 s投入感性負載，負載功率為7 kVA，功率因數(shù)0.46，來驗證復合控制方法的優(yōu)越性.圖5（b）與圖5（c）中的iC為逆變器輸出電流波形，is為網(wǎng)側(cè)電流波形，從圖中可以看出，投入感性負載后，逆變器輸出電流不僅包含了光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功成分，而且補償了負載的無功.圖5（b）由于只采用了電流閉環(huán)反饋控制，其需要一個動態(tài)調(diào)節(jié)時間，約為一個電網(wǎng)周期.當采用本文所提的復合控制方法時，結(jié)果如圖5（c）所示，由于通過基于單相逆變器的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，可以計算出系統(tǒng)的前饋調(diào)制波信號，進行功率的快速控制，使輸出電流快速跟蹤指令電流，同時通過無差拍反饋閉環(huán)控制，實現(xiàn)對指令電流的穩(wěn)態(tài)無差跟蹤.可以看出逆變器輸出電流的跟蹤性能大大提高，逆變器提供一部分有功電流給負載供電，電網(wǎng)有功電流減小了，同時逆變器補償了負載產(chǎn)生的無功電流，電網(wǎng)的電能質(zhì)量得到了有效改善.

5 實驗驗證

為了進一步驗證理論分析和所提控制方法的可行性，在實驗室研制了5 kVA的220 V電壓等級的單相逆變器樣機，負載為RL串聯(lián)負載，容量為2.2 kVA，功率因數(shù)為0.8.圖6為部分5 kVA單相光伏逆變器系統(tǒng)樣機圖，其中圖6（a）為太陽能電池陣列，圖6（b）為單相光伏逆變系統(tǒng)控制版圖.

圖7（a）表示未投入光伏逆變器時的電網(wǎng)電壓和電流波形，電壓電流波形不同步，存在一定量的無功功率，同時負載功率完全由電網(wǎng)提供，功率因數(shù)為0.8；圖7（b）表示投入光伏逆變器時的電網(wǎng)電壓電流波形，在投入光伏逆變器后，逆變器通過檢測負載無功功率，進行無功動態(tài)補償，同時負載的有功功率可以全部由光伏逆變器提供，補償之后光伏逆變器剩余的有功功率傳輸給電網(wǎng)，穩(wěn)定后系統(tǒng)電網(wǎng)電流為13.5 A，功率因數(shù)為0.99.

實驗結(jié)果很好地驗證了本文所提結(jié)構(gòu)和控制方法的可行性，單相光伏逆變器在發(fā)電逆變給電網(wǎng)提供有功能量的同時，也可以補償臨近感性負載的無功功率，提高微網(wǎng)的電能質(zhì)量.

6 結(jié) 論

針對微網(wǎng)單相光伏逆變器現(xiàn)有技術(shù)的不足和存在的問題，本文提出一種適用于微網(wǎng)的光伏發(fā)電逆變器的復合控制方法，并對其相關(guān)工作原理和控制策略進行了深入的研究，得出以下結(jié)論：

1）針對逆變器的直流側(cè)電壓控制，提出了一種直流側(cè)電壓紋波的校正補償方法，能有效改善逆變器的輸出品質(zhì).

2）根據(jù)逆變器的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，一種前饋+反饋的復合控制方法，有效提高了單相光伏逆變器的動態(tài)跟蹤性能.

3）仿真及實驗結(jié)果表明本文研究內(nèi)容的正確性，同時本文提出的控制方法也可以推廣應用到其它類似系統(tǒng)中.

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