基于雙側(cè)電壓反饋控制策略的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性研究

薛飛，李旭濤，李宏強(qiáng)，田蓓

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750001)

0 引言

光伏系統(tǒng)將光能轉(zhuǎn)化為電能，光照量的隨機(jī)性導(dǎo)致其輸入功率也具有隨機(jī)性[1-2]，兩級(jí)光伏系統(tǒng)的前級(jí)變流器一般只具有最大功率跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）功能[3-4]，無(wú)法對(duì)直流母線電壓進(jìn)行穩(wěn)定調(diào)控，這種情況下，如果電網(wǎng)發(fā)生電壓突變，將導(dǎo)致功率波動(dòng)被傳遞到直流母線電容上，導(dǎo)致直流電壓突升[5]；加之，配電網(wǎng)故障也會(huì)傳遞到光伏系統(tǒng)，而直流電壓往往通過(guò)并網(wǎng)逆變器的電壓反饋進(jìn)行控制，如果并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生突變[6]，而電流內(nèi)環(huán)無(wú)法快速對(duì)故障進(jìn)行反應(yīng)，將導(dǎo)致控制環(huán)路飽和，電壓環(huán)無(wú)法有效跟蹤參考值，進(jìn)而致使直流電壓突升，直流電壓波動(dòng)進(jìn)一步惡化，最終導(dǎo)致光伏系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行甚至脫網(wǎng)[7]。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有控制策略進(jìn)行改進(jìn)，以提高光伏系統(tǒng)在多種擾動(dòng)工況下直流電壓的穩(wěn)定性。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)光伏系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[8-10]將電壓反饋引入逆變器控制中，實(shí)現(xiàn)了光伏直流系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定控制，但未涉及并網(wǎng)電壓突變時(shí)直流母線電壓隨之波動(dòng)的研究；文獻(xiàn)[11]提出的靈活功率跟蹤算法（flexible power point tracking，F(xiàn)PPT）通過(guò)動(dòng)態(tài)更改直流電壓參考值，提高了低電壓穿越（low-voltage ridethrough，LVRT）時(shí)直流電壓的穩(wěn)定性，但需要引入直流電壓對(duì)電網(wǎng)電壓的跟蹤算法，算法的復(fù)雜度較高；文獻(xiàn)[12-13]通過(guò)反饋并網(wǎng)電壓到前級(jí)變流器對(duì)光伏板進(jìn)行直接功率控制，并在前級(jí)電路中引入直流電壓的反饋環(huán)節(jié)，對(duì)直流電壓進(jìn)行間接控制，該方法不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)中間直流電壓的穩(wěn)定控制，還能省去直流電容的采樣電路，但其控制邏輯復(fù)雜、計(jì)算量大，對(duì)控制系統(tǒng)的硬件要求高；文獻(xiàn)[14]提出了改進(jìn)占空比調(diào)制法，有利于兩級(jí)光伏系統(tǒng)的母線電壓穩(wěn)定運(yùn)行，但計(jì)算量較大，對(duì)控制器的采樣精度和計(jì)算速度要求更高；文獻(xiàn)[15]將附加功率環(huán)路引入逆變器控制中，提高了功率波動(dòng)下電壓的調(diào)控能力，但未探討電壓穿越時(shí)逆變器對(duì)直流電壓的調(diào)控能力；文獻(xiàn)[16]將比例-諧振（proportion resonant, PR）控制與LC型濾波結(jié)合，形成軟-硬件雙回調(diào)控策略，提高了光伏系統(tǒng)的魯棒性，但PR控制對(duì)非設(shè)定頻率的故障或擾動(dòng)響應(yīng)特性較差，而電壓穿越可能使并網(wǎng)點(diǎn)頻率發(fā)生變化，導(dǎo)致上述策略失效；文獻(xiàn)[17]提出了一種改進(jìn)的電流反饋和電壓前饋控制策略，能有效對(duì)交流小擾動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)定調(diào)控，但在面對(duì)電壓穿越等大擾動(dòng)故障時(shí)，該方法依然無(wú)法保證直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上，現(xiàn)有研究大多從逆變器角度對(duì)并網(wǎng)光伏直流系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定控制，鮮有關(guān)注前級(jí)升壓電路對(duì)直流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定控制的潛在價(jià)值。本文提出一種雙側(cè)電壓控制策略，在電壓穿越情況下，光伏系統(tǒng)不僅能夠充分利用后級(jí)并網(wǎng)逆變器對(duì)直流電壓進(jìn)行調(diào)控，還能利用前級(jí)升壓電路的混合控制策略對(duì)直流母線進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)控，進(jìn)而提高光伏系統(tǒng)在低電壓穿越時(shí)的安全穩(wěn)定運(yùn)行能力。

1 光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為光伏系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)示意[18-19]，光伏板將光能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)Boost電路進(jìn)行升壓變流，并輸出穩(wěn)定的直流電壓（施加在母線電容上），并網(wǎng)逆變器將穩(wěn)定的直流電壓變流為交流電壓，并與交流電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)。

圖1 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of gird-connected photovoltaic system

圖2為Boost變流器級(jí)聯(lián)H橋逆變器構(gòu)成的典型光伏系統(tǒng)電路。圖中：ip、up分別為光伏板的輸出電流和電壓；Cp、Cd分別為Boost變流器的輸入側(cè)和輸出側(cè)濾波電容；ud為Cd的電壓；S1—S5為高頻開(kāi)關(guān)器件；L為Boost變流器的升壓電感；ug為電網(wǎng)電壓；ig為并網(wǎng)電流。

圖2 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)電路Fig. 2 Circuits of grid-connected photovoltaic system

2 雙側(cè)電壓反饋控制策略

2.1 傳統(tǒng)控制策略

光伏板的等效電路如圖3所示[20]，圖中：Dp、Rs和Rp分別表示PN結(jié)、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻；ih、id、ip和ipv分別為光生電流、PN結(jié)電流、并聯(lián)電流、輸出電流；upv為輸出電壓；Ro為負(fù)載等效電阻。根據(jù)電路原理，當(dāng)Ro等于光伏板內(nèi)阻時(shí)，光伏板輸出最大功率Pmax[21]。

圖3 光伏板等效模型Fig. 3 Equivalent model of photovoltaic panel

以江蘇正信公司型號(hào)為ZXP6-60-250 P的光伏板為例，其最大功率Pmax=250 W，最大工作電壓Umax=30.15 V，最大工作電流Imax=8.29 A，開(kāi)路電壓Uoc=37.89 V，短路電流Isc=8.61 A，可得到如圖4所示的ppv～upv關(guān)系曲線，當(dāng)upv=Umax時(shí)，光伏板輸出最大功率Pmax=250 W。

圖4 光伏板ppv～upv曲線Fig. 4 Curve of photovoltaic panel’sppvandupv

圖5為前級(jí)升壓變流器的傳統(tǒng)控制策略，圖中：Rinv為并網(wǎng)逆變器的等效負(fù)載電阻；p1為S1的控制信號(hào)；Up,ref、Ip,ref分別為up和ip的參考信號(hào)；v1為p1的調(diào)制信號(hào)。首先根據(jù)up和ip計(jì)算Up,ref，并將Up,ref和up的差值輸入電壓控制器1得到Ip,ref，Ip,ref和ip的差值輸入電流控制器1，得到調(diào)制信號(hào)v1，v1與脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）模塊中的載波信號(hào)相比較得到p1。通過(guò)調(diào)節(jié)p1使光伏板始終處于最大功率工作點(diǎn)[22-23]。

圖5 前級(jí)電路的傳統(tǒng)控制策略Fig. 5 Conventional control strategy of front circuits

圖6為并網(wǎng)逆變器的傳統(tǒng)控制策略，鎖相環(huán)PLL通過(guò)ug計(jì)算并網(wǎng)電壓相位θ，Ub,ref為ub的參考信號(hào)，電壓控制器2的輸出值與sinθ相乘得到電網(wǎng)電流ig的參考信號(hào)Ig,ref，v2為逆變器的調(diào)制信號(hào)，v2與PWM模塊的載波信號(hào)相比較得到開(kāi)關(guān)器件S2—S5的控制信號(hào)p2～p5。并網(wǎng)逆變器通過(guò)電壓控制器2和電流控制器2同時(shí)對(duì)ub和ig進(jìn)行反饋控制。

圖6 并網(wǎng)逆變器的傳統(tǒng)控制策略Fig. 6 Conventional control strategy of grid-connected inverter

由圖5和圖6可知，光伏系統(tǒng)對(duì)ub的調(diào)控僅能通過(guò)逆變器實(shí)現(xiàn)，而B(niǎo)oost變流器無(wú)法對(duì)ub進(jìn)行調(diào)控。電流環(huán)和電壓環(huán)均采用PI控制器，電流控制器1的比例和積分參數(shù)分別為kc1,p和kc1,i，電流控制器2的比例和積分參數(shù)分別為kc2,p和kc2,i，電壓控制器1的比例和積分參數(shù)分別為kv1,p和kv1,i，電壓控制器2的比例和積分參數(shù)分別為kv2,p和kv2,i。當(dāng)逆變器達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，可認(rèn)為Ig,ref與ig無(wú)誤差，此時(shí)，ub與ig的關(guān)系可表示為

進(jìn)而可求解出ub為

由于ig=Ig,pksinθ，Ig,pk為并網(wǎng)電流的峰值，并網(wǎng)功率Pg=IgUg，Ig和Ug分別為ig和ug的有效值，因此，式（8）的時(shí)域形式為

圖7展示了當(dāng)Ub,ref=400 V、Pg=100 W、Ug在t=0.5 s從220 V突降至44 V時(shí)ub的變化曲線，可以看出，電壓控制器2的比例參數(shù)Kv2,p越小，ug發(fā)生穿越時(shí)，ub的沖擊越大。當(dāng)Kv2,p=0.8時(shí)，ub的沖擊值為409 V；當(dāng)Kv2,p=0.5時(shí)，ub的沖擊值為424 V；當(dāng)Kv2,p=0.8時(shí)，ub的沖擊值為465 V。因此，當(dāng)ug發(fā)生低電壓穿越時(shí)，為了減小ub的沖擊可將Kv2,p設(shè)為較大值。

圖7 不同比例參數(shù)下低電壓穿越時(shí)ub的變化曲線Fig. 7 Curves ofubduring LVRT under different ratio parameters

圖8展示了Kv2,p=0.3、Kv2,i=10、Pg=100 W、Ub,ref=400 V時(shí)，Ug在t=1.0 s從220 V突降至44 V，并在t=1.7 s從44 V恢復(fù)到220 V時(shí)ub的仿真波形。忽略由于積分環(huán)節(jié)引起的震蕩效應(yīng)，仿真結(jié)果中，ub的變化趨勢(shì)基本與圖7中的解析分析結(jié)果一致，進(jìn)一步說(shuō)明傳統(tǒng)控制策略下，電網(wǎng)發(fā)生低電壓穿越故障時(shí)，會(huì)在直流系統(tǒng)中引起電壓沖擊，危及光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。仿真結(jié)果的沖擊峰值略低于解析分析結(jié)果的沖擊峰值，這是由于系統(tǒng)存在阻尼。

圖8 低電壓穿越時(shí)ub的仿真曲線Fig. 8 Simulation curve ofubduring LVRT

2.2 雙側(cè)控制策略

為了避免交流電壓故障對(duì)直流母線的沖擊，提出一種雙側(cè)控制策略，給升壓電路的MPPT控制環(huán)路引入并聯(lián)電壓環(huán)路，形成光伏側(cè)電壓控制；并保留逆變器的電壓反饋控制環(huán)路，同時(shí)在光伏側(cè)和網(wǎng)側(cè)對(duì)直流電壓施加閉環(huán)控制。

雙側(cè)控制策略的原理如圖9所示，逆變器側(cè)的控制與傳統(tǒng)控制策略一致。不同于傳統(tǒng)控制策略，為了提高控制系統(tǒng)在故障時(shí)對(duì)ub的調(diào)控能力，在升壓電路的控制環(huán)路上并聯(lián)ub的反饋回路。根據(jù)ip和up計(jì)算光伏的參考電壓Up,ref，Up,ref與up的差值輸入電壓控制器1，經(jīng)過(guò)電壓控制器1的調(diào)節(jié)和增益為k1的放大器的作用，得到電流ip的參考信號(hào)Ip,ref,1；同時(shí)，將Ub,ref與ub的差值輸入電壓控制器3，并經(jīng)過(guò)增益為k2的放大器的作用，得到ip的參考信號(hào)Ip,ref,2。需要注意的是，傳統(tǒng)控制策略下，ip的參考信號(hào)等于Ip,ref,1，但在改進(jìn)的雙側(cè)電壓反饋控制策略下，ip的參考信號(hào)Ip,ref為

圖9 雙側(cè)電壓反饋控制策略原理Fig. 9 Principle of double-side voltage feedback control strategy

Ip,ref與ip的差值輸入電流控制器1，得到調(diào)制信號(hào)v3，v3與PWM模塊的載波信號(hào)相比較，得到升壓電路的控制信號(hào)p1。k1和k2的取值范圍均為[0,1]，且k1+k2=1，k1值越大，k2值越小。k1較大時(shí)，控制器對(duì)up的調(diào)控能力高于對(duì)最大功率的追蹤能力；k1較小時(shí)，控制器對(duì)最大功率的追蹤能力強(qiáng)于對(duì)up的控制能力。為了提高系統(tǒng)的性能，對(duì)k1和k2的取值進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。當(dāng)光伏系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)光伏功率的高效利用，取值k1＞k2≥0，且k1接近1，使升壓電路更偏重于MPPT控制；當(dāng)ug發(fā)生急劇波動(dòng)時(shí)，為了防止ub發(fā)生電壓過(guò)沖，取k2＞k1≥0，升壓電路更偏重于對(duì)ub的穩(wěn)定控制。

圖10給出了傳統(tǒng)控制下仿真波形。穩(wěn)態(tài)時(shí)，ub、ug、ig、pg和ppv分別為 400 V、311 V、7.6 A、1 178 W和1 182 W。t=1.405 s時(shí)，發(fā)生低電壓穿越，Ug的值從220 V跌落到44 V，并在t=1.88 s時(shí)逐漸恢復(fù)至220 V。

低電壓穿越發(fā)生后，ub突升，穿越0.07 s后，ub達(dá)到最大值462 V，并在t=1.6 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)值為446 V。ig在低電壓穿越后也發(fā)生沖擊，在t=1.54 s時(shí)達(dá)到最大值25.3 A。電網(wǎng)功率pg在低電壓穿越后也發(fā)生沖擊，在t=1.54 s時(shí)達(dá)到最大值3 924 W并維持到t=1.88 s，然后逐漸回降。光伏輸出功率ppv在低電壓穿越后發(fā)生跌落，當(dāng)t=1.48 s時(shí)，達(dá)到最低值572 W，然后逐漸上升到830 W。從圖10中，可明顯觀察到低電壓穿越時(shí)光伏功率、并網(wǎng)功率、直流電壓和交流電流均發(fā)生了沖擊。直流電壓甚至沖擊到462 V，超過(guò)額定值的15.4%，導(dǎo)致直流電容承受過(guò)電壓，如果采用Chopper進(jìn)行功率吸收，將導(dǎo)致Chopper電阻過(guò)熱，影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖11為采用雙側(cè)電壓控制策略，且ub,up,lim=420 V時(shí)的仿真波形，當(dāng)t=1.405 s時(shí)，Ug從220 V跌落到44 V，當(dāng)t=1.88 s時(shí)，Ug從44 V逐漸恢復(fù)到220 V。ub在t=1.41 s時(shí)達(dá)到最大值421 V并維持在此值，ub在t=1.91 s時(shí)達(dá)到最小值328 V，ig在t=1.75 s時(shí)達(dá)到最大值25.0 A，pg在t=1.75 s時(shí)達(dá)到最大值3 900 W并維持0.02 s，ppv在t=1.43 s時(shí)達(dá)到最小值320 W。相比于圖10，圖11的功率沖擊更小，ub的沖擊也更小，主要原因是在低電壓穿越時(shí)，雙側(cè)控制可以有效地降低光伏的輸出功率，防止ub產(chǎn)生劇烈沖擊。

圖11 雙側(cè)控制下ub,up,lim=420 V時(shí)的仿真波形Fig. 11 Simulation waveforms under double-side control withub,up,lim= 420 V

圖12為當(dāng)ub,up,lim=405 V時(shí)的仿真波形，當(dāng)t=1.405 s時(shí)，Ug從220 V跌至44 V，當(dāng)t=1.88 s時(shí)，Ug從44 V逐漸恢復(fù)到220 V。ub在t=1.41 s時(shí)達(dá)到最大值407 V并維持在此值，ub在t=1.94 s時(shí)達(dá)到最小值346 V，ig在t=1.87 s時(shí)達(dá)到最大值14.86 A，pg在t=1.88 s時(shí)達(dá)到最大值2 309 W，ppv在t=1.43 s時(shí)達(dá)到最小值260 W。相比圖11，圖12中pg、ig和ub沖擊更小，這是因?yàn)榈碗妷捍┰綍r(shí)升壓電路能更早介入電壓和功率之間的協(xié)調(diào)控制，減小光伏陣列的功率輸出，從而達(dá)到降低ub、pg和ppv沖擊的目的。

圖12 雙側(cè)控制下ub,up,lim=405 V時(shí)的仿真波形Fig. 12 Simulation waveforms under double-side control withub,up.lim= 405 V

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了證實(shí)雙側(cè)電壓反饋控制策略在提高光伏系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性上的作用，基于圖13所示的RTLAB半實(shí)物仿真平臺(tái)進(jìn)行了并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試系統(tǒng)采用的型號(hào)為ZXP6-60-250 P的光伏板參數(shù)，Pmax、Umax、Imax、Uoc和Isc已在前文中給出。

圖13 RT-LAB 半實(shí)物測(cè)試平臺(tái)Fig. 13 Hardware-in-loop test based on RT-LAB platform

光伏陣列采用5塊光伏板串聯(lián)結(jié)構(gòu)，表1為光伏系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。

表1 光伏系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Photovoltaic system parameters

圖14為傳統(tǒng)控制策略下，當(dāng)Ug發(fā)生20%電壓跌落并持續(xù)0.475 s情況下，ub,ac、ug、ig、pg和ppv的硬件在環(huán)測(cè)試測(cè)試波形，仿真模型的阻尼作用及電壓探頭的帶寬影響會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果（圖14）與仿真結(jié)果（圖10）之間存在一定的誤差，主要體現(xiàn)在電壓穿越起始和截止過(guò)程中，但不影響本文控制方法驗(yàn)證結(jié)果的合理性和正確性。

圖14 傳統(tǒng)控制下低電壓穿越時(shí)的波形Fig. 14 Waveforms during LVRT under conventional control

當(dāng)Ug從220 V跌落到44 V后，ub,ac經(jīng)過(guò)0.06 s上升到62 V，并在t=1.58 s時(shí)穩(wěn)定在46 V，當(dāng)Ug在t=1.88 s恢復(fù)電壓跌落后，ub,ac經(jīng)過(guò)35 ms從0 V下降到最低值-74 V，在低電壓穿越期間，ub,ac的變化量為136 V，約為Ub,ref的34%。光伏功率ppv在電壓跌落發(fā)生47 ms后，從1 182 W下降到590 W。并網(wǎng)功率pg在電壓跌落發(fā)生0.17 s后由1 177 W上升到3 955 W，為額定功率的3.36倍。ig的峰值在電壓穿越過(guò)程中從7.8 A上升到28.6 A，是額定并網(wǎng)電流的3.67倍，如果不設(shè)置Chopper電阻并投入使用，大電流應(yīng)力將可能使逆變器發(fā)生過(guò)熱損壞，而在光伏系統(tǒng)中設(shè)置大功率Chopper電阻不僅會(huì)增加系統(tǒng)的硬件成本，還會(huì)帶來(lái)散熱問(wèn)題。

圖15所示為改進(jìn)雙側(cè)電壓控制下光伏系統(tǒng)的測(cè)試波形，為了對(duì)比實(shí)驗(yàn)的公平性，雙側(cè)控制的實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置與傳統(tǒng)控制策略相同。在ug發(fā)生跌落并恢復(fù)的過(guò)程中，ub,ac的最大值和最小值分別為6.5 V和-54 V，ub,ac的變化量為60.5 V，約為Ub,ref的15.1%，ig的峰值為14.6 A，pg在跌落0.475 s后達(dá)到最大值2 264 W，ppv在跌落75 ms后達(dá)到最低值272 W。

圖15 雙側(cè)控制下低電壓穿越時(shí)波形Fig. 15 Waveforms during LVRT under doubleside control

表2給出了2種控制策略下光伏系統(tǒng)低電壓穿越的測(cè)試對(duì)比情況。由于改進(jìn)的雙側(cè)控制策略能在低電壓穿越前期將雙側(cè)電壓控制引入光伏系統(tǒng)，通過(guò)改進(jìn)控制策略，利用升壓電路降低光伏的輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)在低電壓穿越時(shí)對(duì)ub的快速穩(wěn)定調(diào)控，降低ub在低電壓穿越時(shí)的波動(dòng)范圍，將電壓波動(dòng)量Δub,ac從136 V降低到60.5 V，將直流母線電壓波動(dòng)率α從34.0%降低到15.1%。測(cè)試對(duì)比結(jié)果顯示，改進(jìn)的雙側(cè)電壓控制策略能夠在低電壓穿越時(shí)提高光伏系統(tǒng)直流電壓的穩(wěn)定性。

表2 低電壓穿越測(cè)試對(duì)比Table 2 Comparison of low voltage ride through tests

4 結(jié)論

針對(duì)光伏系統(tǒng)在低電壓穿越時(shí)容易產(chǎn)生功率沖擊并將沖擊傳遞到直流母線的問(wèn)題，本文提出了一種雙側(cè)電壓控制策略，在不設(shè)置Chopper電阻的情況下，基于RT-LAB平臺(tái)搭建的半實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了改進(jìn)的雙側(cè)電壓控制策略能降低電壓穿越時(shí)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)直流母線電壓的波動(dòng)幅值及并網(wǎng)功率的沖擊值，提高光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力。