無儲能光伏逆變器多模態(tài)運行與并離網(wǎng)切換策略研究

梁紀峰, 臧 謙, 姜玉潔, 周 文, 王振雄, 易 皓, 白岳謙

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學研究院, 河北 石家莊 050021; 2.西安交通大學電氣工程學院, 陜西 西安 712046)

1 引言

光伏發(fā)電、風力發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù),具有清潔環(huán)保、可持續(xù)等優(yōu)勢,在推動我國能源向綠色、低碳目標轉(zhuǎn)型的過程中發(fā)揮越來越重要的作用[1-4]。隨著我國“碳達峰、碳中和”目標以及新型電力系統(tǒng)設想的提出,以光伏、風電為代表的新能源發(fā)電裝機規(guī)模將進一步擴大,在未來的電力系統(tǒng)中扮演愈加重要的角色。

區(qū)別于傳統(tǒng)的化石能源發(fā)電,光伏發(fā)電的功率受環(huán)境因素影響較大,因而通常需要經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的交流電,饋送至大電網(wǎng)并向負載供電。作為能量交換中的重要一環(huán),逆變器的結(jié)構(gòu)與控制策略對光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用。逆變器的控制策略大體可分為電壓型控制與電流型控制兩種。目前,光伏逆變器大多采用電流型控制并網(wǎng)運行,這種控制方式需要依賴大電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐。在極端情況下,如電網(wǎng)故障導致母線的電壓、頻率不穩(wěn)定,采用電流型控制技術(shù)的光伏逆變器會進行反孤島保護并停止運行,導致負載無法工作,降低用戶的用電品質(zhì)[5]。

因而,目前通?？紤]對光伏配置儲能,利用儲能高度靈活、可控的雙向功率,在電網(wǎng)發(fā)生故障后,光伏、儲能可以形成孤島,為本地的負荷提供不間斷供電。然而儲能容量有限且成本高昂,當儲能過充或過放時,會無法提供穩(wěn)定的電壓同步信號,光伏相應停止運行。因此,相關(guān)的研究開始探索無儲能光伏的電壓型控制技術(shù),此時,光伏逆變器需要獨立支撐母線的電壓頻率[6]。在這種情況下,分布式光伏需要由并網(wǎng)電流型控制向離網(wǎng)電壓型控制切換,因而本文研究電網(wǎng)發(fā)生故障時,將光伏逆變器由電流型控制模態(tài)切換到電壓型控制模態(tài),并采用無儲能孤島模態(tài)運行,以保證負載的不間斷供電。

并網(wǎng)運行模態(tài)下,為提高對太陽能的利用率,通常利用最大功率跟蹤控制(Maximum Power Point Tracking,MPPT)技術(shù)跟蹤光伏電池最大功率點,此時受環(huán)境因素變化的影響,光伏輸出的功率會實時發(fā)生變化,從而引起電網(wǎng)功率波動,成為大電網(wǎng)的擾動源[7]。同時,當配電網(wǎng)無法消納光伏產(chǎn)生的功率時,會帶來并網(wǎng)點電壓越限問題[8]。在光儲孤島中,當儲能的功率和能量到達極限時,需要切除負載或者減小光伏輸出功率,通過經(jīng)濟性和供電品質(zhì)的折衷來維持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[9],相關(guān)方案在現(xiàn)有文獻中也有一定程度的研究。

為避免環(huán)境因素變化造成光伏輸出功率波動,文獻[10]采用比例積分(Proportional-Integral, PI)控制器對光伏逆變器輸出功率進行閉環(huán)控制,控制其以恒功率輸出模態(tài)并網(wǎng)運行,這種方式可以使光伏接受上層的調(diào)度和管理。文獻[11]針對光照強度等因素變化引起的光伏功率波動較大、跟蹤速度較慢的問題,提出了一種基于模糊控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤策略,用于不同環(huán)境條件下對光伏工作點的合理跟蹤。文獻[12]研究了多儲能與多個光伏協(xié)調(diào)運行的孤島微電網(wǎng),提出一種基于交流母線電壓信號的自適應功率控制方法防止儲能過度充電。并離網(wǎng)切換的研究大多針對緩解微電網(wǎng)硬切換時的電壓、電流沖擊。文獻[13]提出一種基于虛擬同步發(fā)電機控制的微網(wǎng)并離網(wǎng)平滑切換控制策略,并網(wǎng)與離網(wǎng)模態(tài)采用相同的控制實現(xiàn)模態(tài)間的平滑切換。文獻[14]采用狀態(tài)跟隨器保證了切換過程的連續(xù)性,解決了硬切換的電流突變問題。文獻[15]提出了一種并離網(wǎng)均采用非線性下垂控制的單模態(tài)切換策略,在由并網(wǎng)切換至離網(wǎng)運行前,調(diào)整變流器功率輸出,抑制切換時的電壓電流沖擊。文獻[16]提出基于頻率擾動的微網(wǎng)有差預同步控制方案以緩解切換時的過流沖擊。此外,現(xiàn)有的光伏并離網(wǎng)切換控制策略大多考慮的是有儲能參與的情況,即光儲微網(wǎng)的并網(wǎng)與離網(wǎng)之間的切換。為滿足負載對電能質(zhì)量的要求,文獻[17]中,當配電網(wǎng)發(fā)生故障或儲能出力已達功率限值仍不能維持公共連接點(Point of Common Coupling, PCC)母線電壓在允許范圍內(nèi)時,光儲微電網(wǎng)切換為孤島運行模態(tài)。文獻[18]為實現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)/孤島兩種工作模態(tài)之間的快速無縫切換,提出了一種改進型的電壓調(diào)節(jié)器,減小了切換過程中的電流沖擊和母線電壓振蕩。文獻[19]對光儲微電網(wǎng)中蓄電池恒功率和恒壓恒頻控制結(jié)構(gòu)進行改進,共用電流內(nèi)環(huán),并對外環(huán)輸出的電流參考值進行補償,減小暫態(tài)沖擊。但在上述切換控制策略中,儲能逆變器的控制策略在電壓型控制與電流型控制之間進行切換,而光伏作為從逆變器始終工作在電流型控制,不參與對母線電壓的主動支撐。此外,這些切換方式以包含儲能的微電網(wǎng)為主,鮮有對無儲能光伏孤島帶載功能及其模態(tài)切換進行討論。

本文在現(xiàn)有光伏孤島微電網(wǎng)研究的基礎(chǔ)上,進一步考慮了儲能無法提供電壓同步信號的極端情況。因而,本文對無儲能光伏逆變器工作模態(tài)進行分析,研究無儲能光伏逆變器多模態(tài)控制策略,并提出了一種無儲能光伏逆變器并離網(wǎng)切換策略。該策略使光伏逆變器在失去電網(wǎng)提供的電壓信號后,從并網(wǎng)的電流型控制切換到電壓型控制模態(tài),從而工作在無儲能孤島運行模態(tài),為負載提供不間斷供電。最后,通過實驗驗證了控制策略的有效性,所提控制策略能夠維持系統(tǒng)并離網(wǎng)切換時的有功和無功功率平衡。

2 無儲能光伏逆變器多模態(tài)控制

本文研究的分布式光伏逆變器主要有四種工作模態(tài):并網(wǎng)運行模態(tài)、無儲能孤島模態(tài)、并網(wǎng)切換模態(tài)以及離網(wǎng)切換模態(tài),本文考慮的工作模態(tài)切換示意圖如圖1所示。

圖1 光伏逆變器工作模態(tài)示意圖Fig.1 Schematic diagram of operating modes of PV inverter

2.1 光伏逆變器運行模態(tài)分析及拓撲選擇

并網(wǎng)運行模態(tài)下,光伏逆變器采用電流型控制技術(shù),此時交流母線的電壓和頻率由電網(wǎng)決定,負荷波動導致源荷之間的功率差異由電網(wǎng)平抑。同時,由于光伏需要對電網(wǎng)提供有功功率的支撐,其在并網(wǎng)時工作在恒功率運行模態(tài),即光伏逆變器始終跟蹤上級給出的功率指令,僅在無法滿足指令要求的情況下以MPPT方式運行。

電網(wǎng)發(fā)生故障無法提供穩(wěn)定的電壓和頻率,光伏逆變器應斷開與電網(wǎng)的連接,進入離網(wǎng)切換模態(tài),切換至無儲能孤島帶載模態(tài)。無儲能孤島模態(tài)下,光伏逆變器需采用電壓型控制技術(shù),承擔起支撐母線電壓并平衡負載功率需求的責任。無儲能孤島模態(tài)下光伏以單機方式運行,采用恒壓恒頻控制可保障負載對電壓頻率的支撐需求,其關(guān)鍵在于源-荷功率的實時平衡,即以負荷功率需求為依據(jù),調(diào)控光伏輸出功率,當電網(wǎng)恢復供電能力,光伏逆變器進入并網(wǎng)切換模態(tài),實現(xiàn)并網(wǎng)電流源運行。

由于本文研究的狀態(tài)需靈活調(diào)控光伏的端口電壓,因而光伏逆變器采用兩級式拓撲,由前級的Boost變換器與后級的逆變器級聯(lián)而成,實現(xiàn)直流母線電壓與光伏電池輸出功率的解耦控制。同時,由于三電平逆變器具有電感電流紋波低、開關(guān)應力低、開關(guān)損耗小的特點,因此本文選用三電平Boost變換器和中點鉗位型三電平逆變器作為逆變器的主電路拓撲[20]。本文研究的光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示,光伏逆變器通過固態(tài)開關(guān)K1與大電網(wǎng)相連,當開關(guān)K1閉合時,光伏逆變器采用電流型控制,運行于并網(wǎng)模態(tài),與電網(wǎng)一起為負載供電;當檢測到交流母線的供電品質(zhì)無法滿足負載需求時,開關(guān)K1斷開,在電源側(cè)僅有光伏電池的情況下,光伏逆變器切換至無儲能孤島模態(tài),保障負載不間斷供電。

圖2 光伏逆變器主電路拓撲Fig.2 PV inverter main circuit topology

2.2 并網(wǎng)運行控制策略

本文研究的光伏逆變器控制策略通過充分調(diào)用光伏的調(diào)控能力,使其在多種工作模態(tài)下對母線電壓頻率進行支持。因而,在并網(wǎng)運行模態(tài)下,光伏逆變器在支撐電網(wǎng)時不采用MPPT控制策略,而是通過恒定功率跟蹤策略,使光伏高性能跟蹤上級系統(tǒng)的功率指令,從而進行電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定調(diào)控。

在旋轉(zhuǎn)坐標系下,光伏逆變器輸出的有功和無功功率如式(1)所示。

(1)

式中,imd、imq分別為逆變器輸出電流im在旋轉(zhuǎn)坐標系下的d軸和q軸分量;umd、umq分別為逆變器輸出電壓um在旋轉(zhuǎn)坐標系下的d軸和q軸分量。

并網(wǎng)運行時,由于鎖相環(huán)的存在,使得電網(wǎng)電壓的坐標系和逆變器的參考坐標系保持一致,從而q軸分量可以近似為0,因而對式(1)進行化簡,舍去umq相關(guān)項,如式(2)所示。

(2)

將式(2)應用于逆變器控制,即可跟蹤所需的并網(wǎng)功率。然而,這一方式實現(xiàn)的前提是逆變器輸入與輸出端間的功率平衡,其表現(xiàn)為Boost變換器和逆變器之間直流電壓的穩(wěn)定。

因而,直流母線電壓穩(wěn)定是光伏逆變器并網(wǎng)穩(wěn)定運行的前提。本文直接給定直流母線電壓額定值udc_ref,通過Boost變換器控制光伏逆變器的直流側(cè)電壓穩(wěn)定,即根據(jù)直流電壓的變化,調(diào)整光伏電池的輸出功率,從而最終實現(xiàn)光伏系統(tǒng)追蹤上級給定的功率指令。同時,在光伏系統(tǒng)輸出功率由于最大功率點限制不足以滿足上級指令時,光伏逆變器退而運行在最大功率點附近。同時,Boost變換器采用電壓電流雙閉環(huán)實現(xiàn)對電壓指令的跟蹤,iL_ref為電壓環(huán)輸出的電流環(huán)指令值,以控制Boost變換器的電感電流iL,后級逆變器采用電流單閉環(huán)控制技術(shù),通過給定功率指令值Pref、Qref計算出電流環(huán)指令值idq_ref。并網(wǎng)運行模態(tài)下總體控制策略如圖3所示。

圖3 光伏逆變器并網(wǎng)運行控制策略框圖Fig.3 Control block diagram of PV inverter grid-connected operation

2.3 無儲能孤島控制策略

當電網(wǎng)發(fā)生故障無法提供穩(wěn)定的電壓和頻率支撐時,光伏逆變器切換至無儲能孤島模態(tài)。不同于并網(wǎng)運行模態(tài),此時由于失去了外部電源對交流母線的支撐,光伏系統(tǒng)需要穩(wěn)定交流母線的電壓和頻率,故在逆變器側(cè)采用恒壓恒頻控制。此外,當光伏逆變器無儲能孤島運行時,光伏逆變器需要獨立實現(xiàn)源荷功率的平衡,即當外界環(huán)境因素變化導致光伏電池輸出功率變化或負載需求發(fā)生變化時,光伏電池應迅速調(diào)整工作點,維持光伏電源側(cè)輸出功率與負載需求功率的平衡。根據(jù)兩級式光伏逆變器結(jié)構(gòu),光伏電池發(fā)出的功率經(jīng)過直流電容傳遞到逆變器側(cè),當光伏電池輸出功率大于負載所需功率時,直流電容電壓上升;當光伏電池輸出功率小于負載所需功率時,直流電容電壓下降。源側(cè)與負載側(cè)的功率差異表現(xiàn)為直流電容上的電壓波動,因此,可以通過穩(wěn)定直流母線電壓實現(xiàn)源荷功率平衡,確定前級光伏的工作點,并應對光伏功率波動問題,無儲能光伏孤島控制策略框圖如圖4所示。需要指出的是,本文研究的光伏逆變器多模態(tài)平滑切換策略用于光伏逆變器在失去電網(wǎng)支撐后,從并網(wǎng)運行模態(tài)平滑過渡到無儲能孤島模態(tài),對負荷提供不間斷供電,所以本文僅考慮了光伏功率充足時的場景,對于光伏功率不足的場景,可以通過切除非重要負載等手段保證主要負載的供電。

圖4 光伏逆變器無儲能孤島控制策略框圖Fig.4 Control block diagram of PV inverter islanding operation without energy storage

3 無儲能光伏逆變器并離網(wǎng)平滑切換策略

第2節(jié)分析了光伏逆變器在并網(wǎng)和無儲能孤島兩種運行模態(tài)下的控制策略,實現(xiàn)了光伏逆變器在這兩種模態(tài)下的可靠運行。本節(jié)研究光伏逆變器由并網(wǎng)切換至無儲能孤島模態(tài)、無儲能孤島切換到并網(wǎng)運行模態(tài)之間的切換方法,進一步保證分布式光伏多模態(tài)下的可靠運行。

3.1 并網(wǎng)運行模態(tài)切換至無儲能孤島模態(tài)

在檢測到電網(wǎng)發(fā)生故障后,光伏逆變器的控制方式由并網(wǎng)運行模態(tài)切換到無儲能孤島模態(tài)。切換時,Boost變換器始終以穩(wěn)定直流電壓為控制目標,而逆變器的控制策略則由并網(wǎng)運行模態(tài)時的恒定功率控制切換至無儲能孤島運行時的恒壓恒頻控制。為實現(xiàn)光伏逆變器由并網(wǎng)運行模態(tài)平滑切換至無儲能孤島模態(tài),本文采取控制策略如圖5所示。

圖5 并網(wǎng)切換至無儲能孤島模態(tài)控制環(huán)切換策略Fig.5 Control loop switching strategy for switching from grid-connected to islanding without energy storage

并網(wǎng)運行時,開關(guān)S1閉合,開關(guān)S2斷開,坐標變換時的參考相位θref為鎖相環(huán)生成的網(wǎng)側(cè)相位θPLL,根據(jù)式(2)計算功率指令Pref、Qref對應的電流指令idq_ref。檢測到電網(wǎng)故障切換至無儲能孤島模態(tài)運行時,開關(guān)S2閉合,開關(guān)S1斷開,電流指令idq_ref由電壓外環(huán)提供,相位θref由頻率指令ωref積分生成。對于逆變器電流內(nèi)環(huán)控制而言,上述兩種模態(tài)下逆變器的控制結(jié)構(gòu)是基本一致的,其差異主要在于內(nèi)環(huán)指令idq_ref的來源,這一差異可能導致切換過程中產(chǎn)生過流沖擊。為避免模態(tài)切換時電流指令值idq_ref跳變導致過流沖擊,采取積分器初始化,令積分器無縫繼承切換前的數(shù)值。當由并網(wǎng)運行切換至無儲能孤島運行時,電壓外環(huán)控制輸出的指令繼承并網(wǎng)時的電流指令,無儲能孤島控制模塊的相位生成器繼承鎖相環(huán)生成的電網(wǎng)相位θPLL,從而使得切換前后的電流指令與相位不發(fā)生跳變,進而實現(xiàn)平滑切換。

3.2 無儲能孤島模態(tài)切換至并網(wǎng)運行模態(tài)

由于電網(wǎng)電壓的頻率、幅值是時刻波動的,無儲能孤島運行時的負載電壓可能與電網(wǎng)電壓幅值、頻率存在偏差。為確保順利并網(wǎng),在由無儲能孤島模態(tài)切換至并網(wǎng)運行模態(tài)時,需要進行預同步控制,使負載電壓與電網(wǎng)電壓保持一致,避免并網(wǎng)時刻由于相位突變造成過流沖擊。相位預同步的控制框圖如圖6所示,電壓預同步的控制框圖如圖7所示。

圖6 相位預同步模塊控制框圖Fig.6 Phase pre-synchronisation module control block diagram

圖7 電壓預同步模塊控制框圖Fig.7 Voltage pre-synchronisation module control block diagram

當電網(wǎng)電壓與負載電壓、相位一致時,預同步完成。斷開S2、閉合S1,坐標變換時的參考相位為鎖相環(huán)輸出的電網(wǎng)相位,光伏逆變器切換至并網(wǎng)模態(tài)運行。

4 實驗驗證

為驗證所提出的并離網(wǎng)切換策略,搭建了如圖8所示的光伏逆變器實驗平臺進行實驗驗證,實驗采用的主要參數(shù)見表1。通過直流源串聯(lián)電阻模擬光伏外特性作為光伏電池使用。光伏逆變器由前級Boost變換器和后級中點鉗位型(Neutral Point Clamped, NPC)三電平逆變器組成,并經(jīng)過LCL濾波電路濾波后給本地負載供電,最后通過固態(tài)開關(guān)和空氣開關(guān)連接至大電網(wǎng)。逆變器采用DSP28377作為控制器。在該實驗平臺上,對所提無儲能光伏逆變器并離網(wǎng)多模態(tài)平滑切換策略進行了實驗驗證。

表1 實驗平臺主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of test bench

圖8 光伏逆變器實驗平臺Fig.8 PV inverter test bench

為保證負載的供電可靠性,在電網(wǎng)發(fā)生故障時,光伏逆變器應快速從并網(wǎng)運行模態(tài)轉(zhuǎn)換至無儲能孤島運行模態(tài),并能在電網(wǎng)故障解除后恢復并網(wǎng)運行。實驗中,檢測到電網(wǎng)故障后,光伏逆變器連接至電網(wǎng)的固態(tài)開關(guān)斷開,光伏逆變器由并網(wǎng)運行模態(tài)切換至無儲能孤島模態(tài);電網(wǎng)恢復正常供電后,光伏首先進行預同步控制,逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓達到一致后,固態(tài)開關(guān)閉合,光伏逆變器由無儲能孤島運行切換至并網(wǎng)運行。

圖9為光伏逆變器由并網(wǎng)運行模態(tài)切換至無儲能孤島模態(tài)的實驗波形。其中,圖9(a)、圖9(b)為示波器錄制的光伏電池輸出電壓和交流側(cè)電壓電流波形,圖9(c)、圖9(d)為DSP中儲存的直流電壓及逆變器輸出功率。光伏逆變器首先工作在并網(wǎng)運行模態(tài)下,輸出功率為210 W,此時斷開用來模擬電網(wǎng)故障的空氣開關(guān),逆變器檢測到電網(wǎng)故障后斷開固態(tài)開關(guān),同時切換至無儲能孤島模態(tài),光伏電池端口電壓upv由并網(wǎng)運行時的74 V變?yōu)?0 V,直流母線電壓udc發(fā)生輕微跌落后恢復至200 V,逆變器輸出電壓um(亦即負載電壓)與逆變器輸出電流im平滑切換無沖擊,光伏逆變器輸出功率跟蹤負載需求,增加至360 W。實驗結(jié)果證明了所提控制策略實現(xiàn)電網(wǎng)發(fā)生故障后,光伏逆變器能夠由并網(wǎng)運行模態(tài)平滑切換至無儲能孤島模態(tài)。

圖9 并網(wǎng)運行模態(tài)切換至無儲能孤島模態(tài)實驗波形Fig.9 Experimental waveform of switching from grid-connected to islanding without energy storage

圖10為光伏逆變器由無儲能孤島模態(tài)切換至并網(wǎng)運行模態(tài)的實驗波形。光伏逆變器先工作在無儲能孤島模態(tài),電網(wǎng)電壓恢復正常后,逆變器需要切換至并網(wǎng)運行模態(tài)。光伏無儲能孤島運行時,母線電壓與頻率穩(wěn)定,逆變器輸出功率為360 W。接收到并網(wǎng)指令后開始預同步,6個工頻周期后,逆變器輸出電壓um與電網(wǎng)電壓ug達到一致,固態(tài)開關(guān)閉合,光伏逆變器切換至并網(wǎng)運行模態(tài)。切換時直流母線電壓維持穩(wěn)定,光伏電池工作點平滑過渡,并網(wǎng)運行模態(tài)下,光伏電池輸出功率為210 W,與并網(wǎng)功率指令相等。圖11為并網(wǎng)運行模態(tài)光伏逆變器A相輸出電壓頻譜圖,橫軸表示頻率fk,縱軸表示相應頻率處的電壓幅值uamp,計算A相電壓的諧波總畸變率為2.88%,諧波含量較低。實驗結(jié)果證明了控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)光伏逆變器由無儲能孤島模態(tài)到并網(wǎng)運行模態(tài)的平滑切換。

圖10 無儲能孤島模態(tài)切換至并網(wǎng)運行模態(tài)實驗波形Fig.10 Experimental waveform of switching from islanding without energy storage to grid-connected

圖11 并網(wǎng)運行模態(tài)光伏逆變器A相輸出電壓頻譜圖Fig.11 Spectrum of output voltage of photovoltaic inverter in grid-connected mode

5 結(jié)論

本文針對分布式光伏逆變器失去外部電源支撐的情況,研究無儲能光伏逆變器多模態(tài)控制策略,提出了一種無儲能光伏逆變器并離網(wǎng)多模態(tài)平滑切換策略。光伏逆變器在失去電網(wǎng)支撐后,從并網(wǎng)運行模態(tài)平滑過渡到無儲能孤島模態(tài),從而對負荷不間斷供電;在電網(wǎng)恢復供電后,從無儲能孤島模態(tài)平滑切換至并網(wǎng)運行模態(tài)。相較于傳統(tǒng)的光伏逆變器并離網(wǎng)切換策略,所提控制策略充分挖掘光伏在最大功率點以下穩(wěn)定運行的能力,降低對儲能等外部電源的依賴,實現(xiàn)了光伏逆變器并離網(wǎng)平滑切換,且切換時無明顯的電壓畸變和電流沖擊。通過理論分析和實驗,證明了光伏逆變器在復雜工況下的供電能力,提升光伏發(fā)電的主動支撐能力,擴展光伏發(fā)電應用場景,有助于分布式光伏在配電網(wǎng)新能源滲透率進一步提升背景下的深入應用。