光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究

潘曉貝

（1.河南省高校節(jié)能照明工程技術(shù)研究中心，河南三門峽472000；2.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，河南三門峽472000）

太陽能由于其清潔無污染、可再生等諸多優(yōu)點(diǎn)被全世界廣泛關(guān)注。光伏發(fā)電能夠節(jié)能減排、降低能耗，是目前電力專家認(rèn)為最重要的新能源模式之一。對(duì)于光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)而言，整個(gè)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的技術(shù)就是并網(wǎng)逆變器的實(shí)現(xiàn)，即控制策略的實(shí)現(xiàn)。逆變器控制策略的基本原理為：首先根據(jù)電網(wǎng)電壓矢量和逆變要求的有功功率和無功功率算出電流矢量，再得到電壓矢量指令，最后通過正弦脈寬調(diào)制技術(shù)使逆變器交流側(cè)按指令輸出所需電壓矢量［1］。這種間接電流控制的缺點(diǎn)是：對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化較為敏感；動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢；無電流反饋控制，輸出電流波形品質(zhì)不易保證。

針對(duì)以上的不足之處，本文提出了直接電流控制方案，即基于電流閉環(huán)的矢量控制策略。也就是對(duì)電網(wǎng)電壓矢量定向，通過直接電流控制逆變器輸出的有功功率和無功功率。這種方法稱為基于電壓定向的直接功率控制（V-DPC）。

1 直接功率控制

直接功率控制的原理是：并網(wǎng)逆變器輸出瞬時(shí)有功功率和無功功率，先對(duì)瞬時(shí)有功功率和無功功率進(jìn)行檢測、運(yùn)算，再把運(yùn)算得到的瞬時(shí)功率的偏差值送到相應(yīng)滯環(huán)比較器，最后分析滯環(huán)比較器的輸出和電網(wǎng)電壓矢量位置，從而得到驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管的狀態(tài)。直接功率控制需要計(jì)算瞬時(shí)功率，下面闡述瞬時(shí)功率的定義并分析不同坐標(biāo)系下的瞬時(shí)功率的計(jì)算方法。

1.1 各坐標(biāo)系下瞬時(shí)功率的計(jì)算

1.1.1 瞬時(shí)功率的定義

三相電中，相電壓矢量Uabc的瞬時(shí)值是Uabc=［uaubuc］；相電流矢量Iabc的瞬時(shí)值是Iabc=［iaibic］。

當(dāng)電壓矢量Uabc定向，ip（有功電流分量）和iq（無功電流分量）由電流矢量Iabc分解而得。ip與電壓矢量同向，iq與電壓矢量垂直。模

瞬時(shí)有功功率p、瞬時(shí)無功功率q分別為

另外根據(jù)瞬時(shí)功率因數(shù)可以定義為λ=cosφ，顯然

1.1.2 三相靜止abc坐標(biāo)系下瞬時(shí)功率的計(jì)算

由式（1）～（3）可得瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率為

其中，ua*、ub*、uc* 滿足

顯然瞬時(shí)無功功率也可以由三相靜止坐標(biāo)系下的無功功率Qabc得到，即

此時(shí)，可得瞬時(shí)無功功率q為

另外，復(fù)平面上的復(fù)功率S的實(shí)部為瞬時(shí)有功功率，虛部為瞬時(shí)無功功率。復(fù)功率S為

1.1.3 兩相靜止αβ坐標(biāo)系下瞬時(shí)功率的計(jì)算

當(dāng)三相靜止abc坐標(biāo)系變?yōu)閮上囔o止αβ坐標(biāo)系時(shí)，設(shè)Tabc/αβ是等功率變換矩陣，則

經(jīng)變換矩陣變換得到兩相αβ坐標(biāo)系中的電壓、電流矢量為

其中，i0、u0分別為零序電流分量和相電壓零序分量。

此時(shí)，兩相αβ坐標(biāo)系下的瞬時(shí)有功功率p為

同理，瞬時(shí)無功功率也可由兩相靜止αβ坐標(biāo)下的無功矢量Qαβ表示為

其中，K為單位矢量，垂直于αβ坐標(biāo)系。

顯然，瞬時(shí)無功功率q為Qαβ的模值比較式（11）可以得到兩相αβ坐標(biāo)系下的瞬時(shí)無功功率q為

可用矩陣形式表示瞬時(shí)功率，即

1.1.4 兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下瞬時(shí)功率計(jì)算

當(dāng)三相靜止abc坐標(biāo)系變?yōu)閮上嗤叫D(zhuǎn)dq軸坐標(biāo)系時(shí)，設(shè)Tabc/dq是變換矩陣，則

經(jīng)變換矩陣變換可得到兩相靜止dq坐標(biāo)系下Udq和Idq表達(dá)式為

結(jié)合瞬時(shí)有功功率的概念與瞬時(shí)無功功率的概念，兩相靜止dq坐標(biāo)系下的和的表達(dá)式分別為

1.2 基于電壓定向的直接功率控制

1.2.1 并網(wǎng)逆變器直接功率控制中瞬時(shí)功率的計(jì)算

1.2.1.1 有電網(wǎng)電壓傳感器時(shí)

有電網(wǎng)電壓傳感器時(shí)計(jì)算瞬時(shí)功率，要用電網(wǎng)電壓矢量E取代前面瞬時(shí)功率表達(dá)式中的電壓矢量U［2］。采用電網(wǎng)電壓傳感器檢測電網(wǎng)電壓，通過Tabc/dq變換把檢測到的三相電壓ea、eb、ec和三相電流ia、ib、ic變換為兩相靜止 αβ 坐標(biāo)系下的 eα、eβ和 iα、iβ。再由式（11）和（13）計(jì)算得到相應(yīng)的瞬時(shí)有功功率和無功功率。

1.2.1.2 無電網(wǎng)電壓傳感器時(shí)

在并網(wǎng)逆變器的控制中，所用到的交流電流傳感器和直流電壓傳感器必不可少，而電網(wǎng)電壓傳感器有時(shí)可以省略。無電網(wǎng)電壓傳感器的系統(tǒng)電壓值無法測量，只能通過一定的方法對(duì)電網(wǎng)的電壓值進(jìn)行估計(jì)。具體方法如下所述。

（1）瞬時(shí)無功功率的計(jì)算

由式（8）可得到并網(wǎng)逆變器的瞬時(shí)復(fù)功率表達(dá)式為

式（19）中，并網(wǎng)輸出電流的瞬時(shí)值 ia、ib、ic是可由電流傳感器檢測得到，但電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)值 ea、eb、ec為未知量，只能通過估算方法得到。具體方法為：1）用傳感器檢測出的輸出電流和直流側(cè)電壓值；2）計(jì)算出瞬時(shí)有功功率、瞬時(shí)無功功率的估算值；3）計(jì)算出電網(wǎng)電壓的估計(jì)值，利用電壓方程來計(jì)算［3］。于是，根據(jù)式（19）可得出瞬時(shí)無功功率q為

其中，ebc=eb-ec。

（2）瞬時(shí)有功功率和無功功率的估算

設(shè)Sa、Sb、Sc為a、b、c各相的開關(guān)函數(shù)，即并網(wǎng)逆變器開關(guān)調(diào)制時(shí)。這里，當(dāng)逆變器的上3個(gè)橋臂開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，令Sx（x=a、b、c）=1；當(dāng)逆變器的下3個(gè)橋臂開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，令Sx（x=a、b、c）=0［4］。此時(shí)忽略并網(wǎng)逆變器輸出回路中電阻的影響，由此得出并網(wǎng)逆變器的電網(wǎng)電壓表達(dá)式為

對(duì)應(yīng)的線電壓形式為

聯(lián)立式（21）和（19），可得瞬時(shí)有功和無功功率的估算值分別為

（3）電網(wǎng)電壓矢量估算

變換式（26）則得到

1.2.2 無電網(wǎng)電壓傳感器的電壓定向直接功率控制（V-DPC）

無電網(wǎng)電壓傳感器的直接功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其基本原理為：由開關(guān)函數(shù)（Sa、Sb、Sc）、輸出電流（ia、ib）和直流側(cè)電壓 udc，經(jīng)過式（23）、（24）及（27）計(jì)算得到瞬時(shí)有功、無功功率的估算值p?、q?和三相電網(wǎng)電壓在αβ坐標(biāo)系的估計(jì)值比較瞬時(shí)有功、無功功率的估算值和參考值，將比較結(jié)果送到滯環(huán)比較器，從而得Sp、Sq信號(hào)。p*由外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出給定，q*由系統(tǒng)的無功指令給定，若使并網(wǎng)逆變器單位功率因數(shù)運(yùn)行，則q*=0；最后得到用來驅(qū)動(dòng)逆變器的開關(guān)管調(diào)制，即輸出電壓的開關(guān)函數(shù)（Sa、Sb、Sc），并把開關(guān)狀態(tài)信號(hào)反饋到功率和電壓單元進(jìn)行估算［5］。

在圖1所示的V-DPC結(jié)構(gòu)中，控制的關(guān)鍵之處在于：將瞬時(shí)功率的參考值與估算值進(jìn)行比較，將比較結(jié)果送到滯環(huán)比較器，根據(jù)滯環(huán)比較器輸出值并結(jié)合電壓矢量的位置，對(duì)應(yīng)開關(guān)表，各個(gè)逆變器的開關(guān)狀態(tài)就得出了。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 功率滯環(huán)比較器

DPC控制器的關(guān)鍵是功率滯環(huán)比較器。在無電網(wǎng)電壓傳感器的V-DPC系統(tǒng)中，功率滯環(huán)比較器的輸入信號(hào)是瞬時(shí)有功功率參考值與估算值的差值和瞬時(shí)無功功率參考值與估算值的差值Δq，Sp和Sq是其輸出信號(hào)，Sp和Sq反映的是功率的偏離程度。圖2為功率滯環(huán)比較器的滯環(huán)特性，分別是有功功率滯環(huán)比較器滯環(huán)特性和無功功率滯環(huán)比較器滯環(huán)特性。

圖2 滯環(huán)比較器滯環(huán)特性

滯環(huán)比較器的比較結(jié)果分別如下

圖2中，Sp和Sq只有0或1兩種狀態(tài)。Δp=p*-p，Δq=q*-q；2Hp和2Hq分別為有功功率和無功功率滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度。

因此，只有在滯環(huán)寬度小于瞬時(shí)功率偏差的絕對(duì)值時(shí)，開關(guān)狀態(tài)才發(fā)生改變。開關(guān)狀態(tài)的每次改變，都可以使偏差量減小。

1.4 開關(guān)狀態(tài)表

如圖3所示，逆變器的電壓空間矢量由U1～U6這6個(gè)非零矢量和U0、U7這2個(gè)零矢量共8個(gè)矢量組成。電壓矢量由Sa、Sb、Sc和udc決定。SaSbSc=000～111，分別對(duì)應(yīng)于U0（000）、U1（001）、U2（010）、U3（011）、U4（100）、U5（101）、U6（110）、U7（111）共8個(gè)電壓矢量。矢量扇區(qū)可以用來表示電網(wǎng)電壓矢量區(qū)域位置，結(jié)合電網(wǎng)電壓矢量區(qū)域位置和滯環(huán)比較器的輸出結(jié)果可以得到開關(guān)狀態(tài)。

圖3 矢量扇區(qū)的劃分

1.4.1 扇區(qū)矢量的劃分

1.4.1.1 依據(jù)電壓空間矢量劃分的1～6的扇區(qū)

通過電壓型逆變器的輸出6個(gè)非零電壓空間矢量將αβ平面分成6個(gè)獨(dú)立的矢量扇區(qū)，如圖3a所示。這種劃分形成了一個(gè)正六邊形，分別由6個(gè)非零電壓矢量和兩個(gè)零電壓矢量組成。這種扇區(qū)劃分方法在空間矢量的調(diào)節(jié)中得到了廣泛的應(yīng)用，并可以通過參考電壓矢量所在扇區(qū)的兩個(gè)相鄰的非零電壓矢量和一個(gè)零電壓失量的合成來實(shí)現(xiàn)參考電壓矢量的跟蹤控制。但是，在直接功率控制中瞬時(shí)功率的滯環(huán)比較代替了參考電壓矢量的跟蹤控制，因而空間矢量調(diào)制的方法不能直接用于調(diào)節(jié)瞬時(shí)功率。但是，通過改變開關(guān)函數(shù)，這種扇區(qū)的劃分仍然可以用于瞬時(shí)功率的跟蹤控制，而通過控制并網(wǎng)逆變器輸出電壓的幅值和相位就可以達(dá)到調(diào)節(jié)逆變器輸出功率的目的。

1.4.1.2 以電壓空間矢量為中線劃分的1～6矢量扇區(qū)

以電壓逆變器的6個(gè)非零電壓矢量作為中線，將αβ平面分成滯后第一種矢量扇區(qū)30°的6個(gè)矢量扇區(qū)，如圖3b所示。這種扇區(qū)θ的劃分同樣可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)功率的跟蹤控制。

1.4.1.3 以上兩種方法結(jié)合形成的矢量扇區(qū)

將上述兩種劃分的矢量扇區(qū)重疊，從而將αβ平面劃分成矢量扇區(qū)為θ1～θ12，如圖3c所示。這些矢量扇區(qū)θ的取值范圍為

矢量 E 的相角根據(jù) eα、eβ得到矢量E所在的矢量扇區(qū)由前面相角范圍計(jì)算來確定。例如說明電壓空間矢量 E 在 θ1扇區(qū)內(nèi)。

1.4.2 開關(guān)狀態(tài)表的確定

瞬時(shí)功率受到并網(wǎng)逆變器中8個(gè)電壓矢量U0～U7的影響大小是不相同的，需要選擇合適的電壓矢量來調(diào)節(jié)輸出瞬時(shí)功率。開關(guān)狀態(tài)表即DPC控制所需要的開關(guān)狀態(tài)Sa、Sb、Sc，它是結(jié)合滯環(huán)比較器的輸出結(jié)果和電網(wǎng)電壓矢量的位置得到的［6］。得到了開關(guān)狀態(tài)表，逆變器橋臂所需的輸出電壓矢量Ur就得到了。開關(guān)狀態(tài)表如表1所示。

表1 開關(guān)狀態(tài)表

2 仿真研究

系統(tǒng)仿真模型利用MATLAB軟件中的SIMULINK組件構(gòu)建。參數(shù)為直流電壓400 V，輸出功率10 kW，交流側(cè)電感1 mH，直流側(cè)電容1 mF。有功功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真波形如圖4所示，無功功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真波形如圖5。

圖4 無功功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真波形

圖5 有功功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真波形

觀察圖4和圖5可得出，無功功率接近于零，有功功率響應(yīng)迅速，短時(shí)間內(nèi)就能到達(dá)給定值。圖5中，在0.38 s至0.63 s有功功率有一個(gè)瞬降以平衡并網(wǎng)功率，這是因?yàn)榛仞伖β首兓鹉妇€電壓瞬降從而引起的［7］。

圖6為逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓波形。由圖6可以看出，無電網(wǎng)電壓傳感器時(shí)，在電壓定向直接功率控制下，光伏逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓頻率相同、相位相同。

圖6 逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓波形

3 小結(jié)

本文對(duì)并網(wǎng)控制策略進(jìn)行了重點(diǎn)研究，提出無電網(wǎng)電壓傳感器的電壓定向直接功率控制策略，該控制策略與其他控制策略相比，能使系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定［8］。從仿真的輸出圖像來看，采用該控制策略，系統(tǒng)輸出的電流與電網(wǎng)電壓頻率和相位均相同，從而保證整個(gè)并網(wǎng)控制運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

［1］柴文野.三相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)及其控制方法的研究［D］.淮南:安徽理工大學(xué),2012:21-49.

［2］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(jī)械工業(yè)出版社,2010:70-83.

［3］張勝權(quán).三相光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2012:47-61.

［4］柴文野,祝龍記.基于電壓定向直接功率控制的光伏并網(wǎng)逆變器［J］.電源技術(shù),2012,4（36）:527-570.

［5］尚磊,孫丹,胡家兵,等.三相電壓型并網(wǎng)逆變器滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010,34（14）:79-83.

［6］陳樹勇,鮑海,吳春洋,等.分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)功率直接控制方法［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,31（10）:6-11．

［7］陳道煉.DC-AC逆變技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003:11.

［8］郭小強(qiáng),烏仔偉揚(yáng),顧和榮,等.并網(wǎng)逆變器LCL接口直接輸出電流控制建模及穩(wěn)定性分析［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2010,25（3）:102-109.