基于偏差控制的兩級式光伏系統(tǒng)有功調度策略

趙建榮，王林，張海龍，李瑞生

（1.西安許繼電力電子技術有限公司，陜西 西安 710077；2.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

基于偏差控制的兩級式光伏系統(tǒng)有功調度策略

趙建榮1，王林1，張海龍1，李瑞生2

（1.西安許繼電力電子技術有限公司，陜西 西安 710077；2.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

針對兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)，提出一種新型的有功調度控制策略，可以實現(xiàn)兩級式光伏逆變器有功功率的快速平滑調度:正常運行時，前級升壓斬波電路（Boost）進行最大功率點跟蹤（MPPT），后級逆變器負責母線電壓的控制；當有功調度指令下發(fā)時，逆變器放棄母線電壓控制權，去控制輸出功率下降到調度值，此時母線電壓會升高，Boost電路則由MPPT控制轉入母線電壓控制，兩級控制互不干擾，無縫切換。詳述了該控制策略，并通過仿真和試驗進行驗證，結果驗證此控制策略的可行性。

兩級式光伏系統(tǒng)；有功調度；電壓偏差控制；最大功率點跟蹤（MPPT）

光伏電站在并入電網(wǎng)后，需要根據(jù)電網(wǎng)的調度指令進行有功調度，控制光伏逆變器的輸出功率不高于該調度指令，若光伏逆變器當前最大輸出有功不大于該調度值，逆變器按最大功率輸出，否則需要對輸出功率進行限制［1-2］，控制光伏電池板偏移最大功率點實現(xiàn)降低輸出功率。

本文設計了一種調度方法，可以實現(xiàn)快速平滑調度。當有調度指令下發(fā)時，后級逆變器由電壓控制變?yōu)楣β士刂疲艞壷绷髂妇€的電壓控制權，轉為控制輸出功率，前級Boost電路由MPPT控制自動轉入穩(wěn)壓控制去控制直流母線電壓，從而實現(xiàn)功率調度；當調度指令撤銷時，前級Boost電路由穩(wěn)壓控制自動轉入MPPT控制，后級變流器由有功調度模式轉入穩(wěn)壓模式，重新掌握母線電壓控制權。

1 控制策略

兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結構如圖1所示，后級逆變器控制直流母線電壓穩(wěn)定，前級Boost電路實現(xiàn)MPPT跟蹤［3］。當進行有功調度時，控制后級逆變器的輸出電流實現(xiàn)輸出功率與調度功率匹配，但是當變流器變?yōu)楣β士刂茣r，無法控制直流母線的電壓，此時母線電壓需要交給前級Boost電路來實現(xiàn)，Boost電路需要由當前的MPPT運行模式無縫切換至穩(wěn)壓模式，掌握直流母線電壓的控制權；當有功調度指令取消，前級Boost電路則需要從穩(wěn)壓運行模式平穩(wěn)切換至MPPT模式，后級變流器由功率控制切換至電壓控制，重新掌握母線電壓的控制權。逆變器的母線電壓穩(wěn)壓設定值要低于Boost電路的母線電壓穩(wěn)壓設定值。

圖1 兩級式光伏逆變器拓撲結構Fig.1 Topology of two-stage photovoltaic inverter

1.1 前級Boost電路控制策略

Boost電路的小信號模型分析如圖2［4］所示。

圖2 Boost電路小信號模型Fig.2 Small signal model of Boost circuit

圖2 中，R為后級逆變電路的等效電阻；L為輸入電感；C為輸出電容；r為電感等效串聯(lián)阻抗；rc為電容等效串聯(lián)阻抗。忽略電阻r與rc的影響，根據(jù)上述模型，可得到電路的小信號數(shù)學模型:

式中:iL為電感電流的擾動量；ui為輸入電壓的擾動量；Uo為輸出電壓；uo為輸出電壓的擾動量；D為占空比；d為占空比擾動量。

當輸入電壓穩(wěn)定時，電壓擾動ui=0，代入式（1）、式（2）中，可得到電感電流對占空比的傳遞函數(shù)Gid(s)為

當系統(tǒng)運行在孤島狀態(tài)時，須控制Boost電路輸出電壓，需要得到輸出電壓對電感電流的傳遞函數(shù)Gui(s)，同理根據(jù)式（1）、式（2）可得:

式（3）、式（4）為Boost電路的數(shù)學模型，通過此模型，對Boost電路的控制可采用電壓電流雙環(huán)控制［5］，通過電流內環(huán)去控制輸入電流跟隨輸入電壓，實現(xiàn)電流的自動調節(jié)，電壓外環(huán)來調節(jié)和維持輸出電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)電壓的自動調節(jié)。

對電壓環(huán)傳遞函數(shù)Gui(s)以及電流環(huán)傳遞函數(shù)Gid(s)的校正采用比例和積分（PI）調節(jié)器，校正式［6］如下:

式中:KP為比例環(huán)節(jié)系數(shù)；KI積分環(huán)節(jié)系數(shù)。

假設電流采樣濾波器為F(s)，開關器件的延時函數(shù)為D(s)，則校正后的電流環(huán)控制框圖如圖3所示。

圖3 電流環(huán)控制框圖Fig.3 Control diagram of current loop

通道增益為

圖4 Boost電路控制框圖Fig.4 Control diagram of boost circuit

結合波特圖，可選擇合適的PI參數(shù)；電壓環(huán)PI參數(shù)的選取過程類似。

第一，師資力量匱乏。教職員在1938年為7355人，而到了1939年則為5919人［28］76。就師資供應而言，到1940年師范畢業(yè)生為2336人，1941年為1857人，1942年為1514人［27］13。由以上的數(shù)據(jù)可以看出，無論是教職員的數(shù)量還是師資供應數(shù)量都存在逐年減少的情況。究其原因，物價的高漲、教員待遇較差、工資較低，既會直接造成師范生舍棄本業(yè)，又會間接使師范學校招生受到影響，從而影響師資的供應。

Boost電路控制框圖如圖4所示。由于Boost電路需要兼顧MPPT運行以及母線電壓穩(wěn)壓運行，故需要2個電壓電流控制環(huán)路，1個為母線電壓電感電流環(huán)路，校正器為PI_U與PI_I；1個為MPPT電壓電感電流環(huán)路，校正器為PI_MPP與PI_I。借鑒多點直流電壓偏差控制策略［7-8］，對其進行改進，應用在Boost電路的控制中，來實現(xiàn)2種工作模式的無縫切換。

Boost電路采集電池電壓Upv與電流Ipv進行MPPT計算，得到的電壓Upv_ref與實際電池電壓做差，差值經(jīng)過電壓調節(jié)器PI_MPP輸出電流控制量Imax_U，將其作為調節(jié)器PI_U的上限值。

當母線電壓Udc小于設定值Udc_ref時，調節(jié)器PI_U的輸出一直增大到上限值Imax_U，下限值Imin_U取0，此時相當于系統(tǒng)工作于MPPT模式，調節(jié)器PI_U輸出Iref與實際電流Ipv經(jīng)過調節(jié)器PI_I校正，輸出值即為占空比，可進行PWM調制；當后級逆變器限制輸出功率時，多余的能量聚積在母線，使得母線電壓升高，當母線電壓大于Udc_ref時，電壓環(huán)調節(jié)器PI_U退出飽和，Boost電路由MPPT模式進入穩(wěn)壓模式，將母線電壓穩(wěn)定于Udc_ref，阻止母線電壓的進一步升高，此時系統(tǒng)工作于穩(wěn)壓模式。

當有功調度指令取撤消，后級逆變器最大能力輸出功率，母線能量減少，電壓降低，低于Udc_ref時，調節(jié)器PI_U慢慢飽和，Boost電路進入MPPT工作模式，后級逆變器重新掌握母線電壓的控制權。為了保證切換過程的平穩(wěn)，加入母線電壓前饋控制，其中K為母線電壓前饋系數(shù)。

1.2 后級逆變器控制策略

后級逆變器的控制框圖如圖5所示，在原有逆變器dq解耦控制策略［9］的基礎上加入1個功率環(huán)（虛線所示），通過開關S（調度指令）來切換運行模式，完成有功率調度。

圖5 逆變電路控制框圖Fig.5 Control diagram of inverter

圖5中，系統(tǒng)實時采樣三相交流相電壓Uabc和三相交流電流Iabc，計算出當前有功功率Pac。

為了實現(xiàn)功率平滑調度，將有功調度值Pac_set斜坡化［10］后作為輸出功率的參考值Pac_set_slope，即功率環(huán)的參考值從當前功率以一定步長慢慢降至調度功率值。

當調度指令下發(fā)時，開關S打到下端，將功率環(huán)的校正PI調節(jié)器輸出作為電流環(huán)的參考值Id_ref，控制逆變器輸出功率逐步到達調度指令值；當調度指令撤銷時，開關S打到上端，逆變器恢復電壓電流雙閉環(huán)控制，重新掌握直流母線電壓的控制權。

2 仿真及試驗驗證

2.1 仿真分析

在Matlab/Simulink環(huán)境下，按圖1拓撲搭建兩級式光伏并網(wǎng)逆變器的仿真模型。

仿真參數(shù)為:逆變器LCL濾波器依次為0.5mH，26 μF，0.025 mH；Boost輸入電感0.25 mH；電網(wǎng)線電壓380 V；逆變器穩(wěn)壓設定值700 V；Boost電路穩(wěn)壓設定值720 V；系統(tǒng)輸出功率50 kW。

控制策略采用圖4與圖5所描述的控制思想，仿真主要完成系統(tǒng)在MPPT運行模式與有功調度模式之間的無縫切換，驗證控制策略的可行性。

2.1.1 MPPT運行模式轉有功調度模式仿真結果

MPPT運行轉有功調度的仿真結果如圖6、圖7所示。

圖6 直流母線電壓和交流輸出電流波形Fig.6 The DC bus voltage waveform and The AC output current waveform

圖7 太陽能電池板輸出電壓及電流波形Fig.7 The output voltage and current waveforms of photovoltaic panels

無調度指令啟動后，系統(tǒng)在0～0.3 s時間內運行于MPPT模式，太陽能電池板輸出電壓降低，電流增大，逆變器交流輸出功率增大，母線電壓由逆變器控制為700 V；在0.3 s時刻下發(fā)調度指令，系統(tǒng)從MPPT模式開始切換到有功調度模式，后級逆變器控制輸出功率到調度值，前級Boost電路控制母線電壓為720 V；系統(tǒng)在0.3～0.7 s時間內運行于有功調度模式，太陽能電池輸出電壓和電流保持不變，逆變器輸出功率保持為調度值。

2.1.2 有功調度模式轉MPPT運行模式

有功調度轉MPPT運行的仿真結果如圖8所示。在0～0.45 s時間內，系統(tǒng)是有功調度狀態(tài)，逆變器控制輸出功率恒定為調度值，Boost電路控制母線電壓為720 V；在0.45 s時刻，撤銷有功調度命令，系統(tǒng)從有功調度模式切換到MPPT運行模式，前級Boost電路轉入MPPT運行，后級逆變器控制母線電壓為700 V；在0.45～1 s內，系統(tǒng)處于MPPT運行模式，母線電壓穩(wěn)定于700 V，逆變器輸出功率不斷變大，穩(wěn)定于最大功率點。

圖8 直流母線電壓和交流輸出電流波形Fig.8 DC bus voltage and AC output current waveform

2.2 試驗驗證

為了進一步驗證仿真結果，將控制策略應用于50 kW兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)試驗平臺，用1臺32 kW的PV模擬源來模擬太陽能電池板，電網(wǎng)電壓為380 V。試驗結果如圖9所示。開始階段，前級Boost變換器工作于MPPT模式，系統(tǒng)輸出功率約30 kW，后級逆變器控制母線電壓為700 V；t1時刻下發(fā)有功調度指令15 kW后，Boost變換器控制母線電壓為720 V，逆變器控制輸出功率達到15 kW；t2時刻撤銷調度指令，Boost電路由穩(wěn)壓運行轉為MPPT運行，后級逆變器由功率控制轉為穩(wěn)壓控制，控制母線電壓為700 V，實現(xiàn)了2種工作模式的無縫切換。

圖9 試驗結果Fig.9 The experimental result

3 結論

此策略應用于兩級式光伏逆變器的有功調度，實現(xiàn)了快速平穩(wěn)的調度，也可推廣到由于輸出功率的變化造成母線電壓不穩(wěn)的場合:當母線電壓大于后級逆變器的穩(wěn)壓設定值時，直接由前級Boost電路接管母線電壓的控制權，后級轉為電流或者功率控制，完成了無縫切換。

［1］李燁.光伏電站有功功率控制策略研究［D］.成都:電子科技大學，2013.

［2］Arulampalam A，Mithulananthan N，Bansal R C，et al.Micro-grid Control of PV-wind-diesel Hybrid System with Islanded and Grid Connected Operations［C］//Sustainable Energy Technologics（ICSET），2010:1-5.

［3］張興，曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［4］張衛(wèi)平.開關變換器的建摸與控制［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［5］魯芳，朱飛翔，吳青坡.基于小信號模型的Boost-PFC控制電路優(yōu)化設計［J］.現(xiàn)代電子技術，2010，33（6）:199-202.

［6］周習祥，李欣然，李加升.兩級式LCL型三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究［J］.電源技術，2015，39（12）:2696-2699.

［7］唐庚，徐政，劉昇，等.適用于多端柔性直流輸電系統(tǒng)的新型直流電壓控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2013，37（15）: 125-131.

［8］Nakajima T，Irokawa S.A Control System for HVDC Transmission by Voltage Sourced Converters［C］//IEEE Power Engineering Society Summer Meeting，1999，2:1113-1119.

［9］沈欣煒，鄭競宏，朱守真，等.光伏并網(wǎng)逆變器控制參數(shù)的dq軸解耦辨識策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2014，38（4）: 38-42.

［10］楊立濱，李春來，張海寧，等.光伏電站有功功率控制模式［J］.電氣應用，2015（S1）:518-520.

Active Power Qispatch Strategy of Two-stage Photovoltaic Inverter Based on Deviation Control

ZHAO Jianrong1，WANG Lin1，ZHANG Hailong1，LI Ruisheng2
（1.Xi’an XJ Power Electronics Technology Co.，Ltd.，Xi’an 710077，Shaanxi，China；2.XUJI Group Corporation，Xuchang 461000，Henan，China）

Aiming at two-stage photovoltaic power generation system，a new strategy of active power dispatch control was presented.The strategy could achieve quickly scheduling of two-stage photovoltaic inverter active power：when normal running，the boost chopper achieveed maximum power point tracking（MPPT）and the inverter had to be responsible for bus voltage control；when the active power dispatch instructions issued，inverter gave up bus voltage control and turned to control the output power decreased to the control value，at this time，the bus voltage would be rising，so the boost chopper circuit would turn to control bus voltage instead of MPPT control.Two stages′control strategies did not interfere with each other.The control strategy was described in detail，then the simulation model and test platform were set up to verify the feasibility of this control strategy.

two stage photovoltaic power generation system；active power dispatch；voltage deviation control；maximum power point tracking（MPPT）

TM615

A

10.19457/j.1001-2095.20170512

2016-04-21

修改稿日期：2016-10-14

趙建榮（1987-），男，碩士，工程師，Email:517941056@qq.com