光伏系統(tǒng)逆變器電能的改進(jìn)控制策略

賈成云

【摘?要】光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、控制器、逆變器、蓄電池及其它輔助配件組成。根據(jù)是否接入電網(wǎng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)分為并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種，后者不需要依賴電網(wǎng)，可以獨(dú)立運(yùn)行。經(jīng)典的控制策略沒有考慮線路阻抗問題，然而實(shí)際的系統(tǒng)中卻存在阻抗，這就導(dǎo)致互聯(lián)逆變器之間循環(huán)功率對逆變器造成沖擊，降低效率并減小逆變器的功率分配精度。本文就光伏系統(tǒng)逆變器電能的改進(jìn)控制策略展開探討。

【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電;逆變器;控制策略

引言

隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的利用率也在激增。作為光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并網(wǎng)環(huán)節(jié)中最重要的逆變器的控制方式是研究的一大重點(diǎn)。逆變器控制策略的好壞直接影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接的穩(wěn)定性，對光伏系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行穩(wěn)定性也有很大的影響。

1逆變器數(shù)學(xué)模型

由于脈沖寬度調(diào)制（pulsewidthmodulation，PWM）控制技術(shù)使用廣泛，因此本文中并網(wǎng)電流的控制采用此技術(shù)。其輸出的是對應(yīng)于給定調(diào)制正弦波的一系列脈沖信號。驅(qū)動電路用于實(shí)時改變可控開關(guān)裝置的導(dǎo)通和斷開，使得逆變器的輸出電流波形和電網(wǎng)中的電壓波形能夠達(dá)到相同的頻率和相位，從而滿足并網(wǎng)條件。根據(jù)逆變器的工作原理，可以得到PWM調(diào)制電路和逆變器輸入輸出的傳遞函數(shù)如下：

式中：Kab為傳遞系數(shù);τ為滯后時間常數(shù)，與PWM的載波周期相等。由于使用PWM控制時，開關(guān)的開通與關(guān)斷的頻率遠(yuǎn)大于工頻50Hz，因此，在建立數(shù)學(xué)模型時，通?？梢院雎砸恍┮蛩氐挠绊?，例如開關(guān)管的死區(qū)效應(yīng)以及導(dǎo)通電壓降等。由此，單相橋的逆變器可以視為簡單的比例鏈路。PWM比例系數(shù)為：

2電壓源逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

電壓源逆變系統(tǒng)主要用于光伏系統(tǒng)的工業(yè)發(fā)電領(lǐng)域。通常系統(tǒng)由4個主要部件組成：逆變器、交流電感器、直流電容器和交流濾波器，其中直流電容器是由兩個電容器串聯(lián)而成，兩個電容器之間接地;而交流濾波器由電阻、電感和電容串并聯(lián)組成。由于光伏逆變系統(tǒng)內(nèi)存在LC諧振電路，所以系統(tǒng)中一定會有諧振產(chǎn)生。由于逆變器系統(tǒng)內(nèi)LC回路會產(chǎn)生諧振，而電網(wǎng)所提供的電流和電壓自身會帶有高次諧波，這樣將導(dǎo)致振蕩回路中的高次諧波疊加在原有的高次諧波中。對于50次以上的高次諧波，在沒有經(jīng)過LC回路時，諧波畸變率盡管很小，但因LC回路產(chǎn)生的諧振增大了，傳統(tǒng)的有源濾波器只能濾除50次以下的諧波，50次以上的諧波無法濾除，因此將優(yōu)化后的阻尼器與逆變器和交流阻抗并聯(lián)。

3改進(jìn)逆變器下垂控制策略

3.1傳統(tǒng)下垂控制的基本原理

分別通過有功/頻率（P/F）和無功/電壓（Q/V）雙環(huán)控制來獲得穩(wěn)定的頻率和電壓。根據(jù)微電網(wǎng)的控制目標(biāo)，若電源輸出P0減小，通過下垂特性增加F0其中，P0和F0初始有功和頻率，從而增大電源的有功P;反之亦然。由逆變器輸出功率得

假設(shè)系統(tǒng)為高壓電網(wǎng)有XsiRsi，則式（1）化簡為

圖1為常規(guī)逆變器下垂控制方框圖。其中，K1、K2分別為有功、無功下垂系數(shù);Ut為合成電壓。

根據(jù)圖1，傳統(tǒng)下垂控制策略公式為：

常規(guī)PQ控制策略通過控制一定參數(shù)來控制逆變器的輸出。在低壓網(wǎng)絡(luò)中，線路阻抗無法忽略以及系統(tǒng)運(yùn)行時的不對稱，逆變器的功率分配誤差比較大，下面介紹改進(jìn)PQ控制策略。

3.2電壓電流雙環(huán)控制

目前的光伏發(fā)電系統(tǒng)研究中，許多專家學(xué)者提出了很多雙環(huán)（回路）控制的方案。其中，常見的就是電壓電流雙環(huán)控制。電壓-電流雙環(huán)（回路）控制策略的基本原理介紹如下。雙環(huán)（回路）控制的外環(huán)是采用的電壓控制回路，其返還從逆變器輸出的電壓信號u。此信號與正弦基準(zhǔn)電壓信號uref相比，比較后的誤差值uc，在PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)后，結(jié)果信號用作內(nèi)環(huán)的參考值iref。雙環(huán)（回路）控制的內(nèi)環(huán)采用電流控制環(huán)，即返還逆變器輸出的電流信號i。此信號與從外環(huán)獲得的電流參考值iref相比較，得到參考值ie。然后，將比較后得到的誤差值ie發(fā)送到比較器，在具有三角波載波比的比較器的作用下，產(chǎn)生PWM波。最后，根據(jù)該P(yáng)WM波信號來調(diào)控功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和斷開。這樣就能實(shí)現(xiàn)電能的逆變。在此控制策略中，逆變器中的各個開關(guān)管的工作頻率都是固定的。所以，逆變器輸出的諧波頻率也是固定的。該控制方法控制效果好。

3.3獨(dú)立運(yùn)行到并網(wǎng)運(yùn)行的分析

假設(shè)逆變器初始運(yùn)行模式為獨(dú)立運(yùn)行，此時控制方式為下垂控制，逆變器發(fā)出的有功功率和無功功率全部被負(fù)載吸收（此時模型不考慮線路和器件損耗），在閉合并網(wǎng)開關(guān)后控制方式應(yīng)該切換為PQ控制，以此完成并網(wǎng)過程。（1）電流過渡并網(wǎng)。為了使處于獨(dú)立運(yùn)行模式的逆變器采用電流過渡的方法并入大電網(wǎng)時，需要先切換到PQ控制，然后再閉合并網(wǎng)控制開關(guān)，在Matlab/Simulink搭建仿真模型。在上述模型建立的過程中，在0.2s時切換控制方式，0.3s閉合并網(wǎng)開關(guān)。逆變器開始處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)時，并網(wǎng)控制開關(guān)處于斷開情況下，并網(wǎng)電流為0。0.3s時，并網(wǎng)開關(guān)閉合，并網(wǎng)電流擾動時間極端，隨后趨于正常。（2）電壓過渡并網(wǎng)。當(dāng)逆變器采用電壓過渡的方法進(jìn)行并網(wǎng)時，需要先閉合并網(wǎng)開關(guān)，再切換控制方式。在0.2s前逆變器處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)時，逆變器處于下垂控制。此時系統(tǒng)如果沒有遭受干擾，逆變器的輸出是非常穩(wěn)定的。在并網(wǎng)開關(guān)閉合那一時刻，逆變器的輸出電壓也會受到影響。閉合并網(wǎng)開關(guān)時，會有沖擊電流出現(xiàn)，并網(wǎng)狀態(tài)不穩(wěn)定;在切換控制模式開關(guān)后，也需要經(jīng)過三個周期左右才能夠恢復(fù)正常。經(jīng)過上述兩種方式的對比，當(dāng)從獨(dú)立運(yùn)行向并網(wǎng)狀態(tài)運(yùn)行時，采用電流過渡方式在過程中引起的擾動更小。因此，逆變器的并網(wǎng)切換過程應(yīng)先切換模式控制開關(guān)，再進(jìn)行并網(wǎng)。

結(jié)語

當(dāng)逆變器處于并網(wǎng)運(yùn)行運(yùn)行狀態(tài)時使用PQ控制策略，可以穩(wěn)定高效的保證逆變器的輸出;當(dāng)逆變器處于獨(dú)立于行狀態(tài)時，應(yīng)使用下垂控制，可以最大限度的消除擾動。當(dāng)逆變器從并網(wǎng)狀態(tài)切換到獨(dú)立運(yùn)行時，應(yīng)先切換模式控制開關(guān)，將PQ控制切換到下垂控制，然后斷開并網(wǎng)開關(guān)，完成脫網(wǎng)過程;當(dāng)逆變器從獨(dú)立運(yùn)行切換到并網(wǎng)運(yùn)行時，需要先動作模式控制開關(guān)，再動作并網(wǎng)開關(guān)。通過切換不同的控制模式，可以實(shí)現(xiàn)逆變器運(yùn)行模式之間的平滑切換。

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（作者單位：中國水電建設(shè)集團(tuán)新能源開發(fā)有限責(zé)任公司西北分公司）