分布式風光互補并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)設(shè)計與切換策略研究

李麗晶，王小建

（石家莊信息工程職業(yè)學院，河北 石家莊 052161）

0 引 言

我國西北地區(qū)風能和太陽能具有季節(jié)互補性。根據(jù)不同時間段可再生清潔能源的變化情況，設(shè)置風光互補的能源發(fā)電控制系統(tǒng)，成為西北地區(qū)發(fā)電、電能控制與利用的重要手段。分布式風光互補并網(wǎng)逆變器的發(fā)電控制系統(tǒng)，在不同時段采用風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)和Boost基波電壓-并網(wǎng)電流雙閉環(huán)，結(jié)合并網(wǎng)逆變器、切換控制器、開關(guān)組等組成模塊，控制不同系統(tǒng)的外環(huán)風機轉(zhuǎn)速、內(nèi)環(huán)電流以及電壓反饋值等參數(shù)，從而合理完成系統(tǒng)風電與光電的儲能和用電匹配工作。

1 分布式風光互補并網(wǎng)自動發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 光伏電池板的發(fā)電模型

分布式光伏發(fā)電又稱分散式發(fā)電或供能，是在距離用電現(xiàn)場和普通用戶較近的空間位置配置光伏發(fā)電的供電系統(tǒng)，包括太陽能電池陣列、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）轉(zhuǎn)換器、并網(wǎng)逆變器、變壓器以及交流配電柜等基本設(shè)備，同時配置溫度儀、輻射儀、監(jiān)控采集器等系統(tǒng)監(jiān)控裝置，用于太陽輻射下光能和電能的轉(zhuǎn)換與傳輸控制。光伏電池板的發(fā)電模型結(jié)構(gòu)，如圖1所示[1]。

圖1 光伏電池板的發(fā)電模型結(jié)構(gòu)

在太陽光充足的時間段，太陽能電池陣列組件會吸收光能，并將光能轉(zhuǎn)換為電能輸出，經(jīng)直流匯流箱，集中傳送至DC/DC轉(zhuǎn)換器。DC/DC轉(zhuǎn)換器通過多種信號變換控制直流電傳輸與輸出，隨后由并網(wǎng)逆變器將直流電逆變?yōu)榻涣麟姡瑸榻ㄖ秒姮F(xiàn)場和普通用戶提供電能，多余的電能則聯(lián)入電網(wǎng)進行調(diào)節(jié)[2]。

為保證太陽能光伏電池陣列系統(tǒng)的發(fā)電效率，利用基于電導增量的最大功率點追蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制方法，將光伏電池陣列輸出功率與輸出電壓比值|dP/dU|作為步長的變化系數(shù)，則k時刻的采樣值為k|dP/dU|。當|dP/dU|=0時，表明在k時刻光伏電池的工作點已達到最大功率點，即Uref(k+1)=Uref(k)。此時，DC/DC變換器作為直流電轉(zhuǎn)換電路，能夠監(jiān)測太陽能發(fā)電的最大功率輸出點，然后由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）軟件執(zhí)行程序發(fā)送脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）波、正弦脈寬調(diào)制（Sine Pulse Width Modulation，SPWM）波脈沖信號，控制可驅(qū)動逆變器的開關(guān)通斷，并調(diào)整DC/DC變換器電路內(nèi)的開關(guān)電源占空比。

1.2 風力發(fā)電機的發(fā)電模型

風力發(fā)電機組的直流電壓和電流輸出端分別連接DC/DC變換器和電壓轉(zhuǎn)換單元的輸入端，然后與并網(wǎng)逆變器、箱式變壓器、儲能單元等模塊結(jié)構(gòu)形成連接，從而完成某場景的用戶用電負載的自動調(diào)節(jié)[3]。主控單元中央處理器（Central Processing Unit，CPU）不僅通過PWM波控制模塊與并網(wǎng)逆變器、箱式變壓器連接，而且接入霍爾傳感器，用于采集風力發(fā)電機組的溫度數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

根據(jù)空氣動力學原理，假設(shè)風力發(fā)電機組轉(zhuǎn)速的機械功率為Pm，機械轉(zhuǎn)矩為Tm，模型的計算公式為

式中：v為自然界空氣風速；ω為風力機轉(zhuǎn)速；ρ為空氣密度；R為風輪半徑；β為槳距角；λ為風機葉片尖端的葉尖速比；Cp為風能利用系數(shù)。在槳距角β固定的情況下，隨著風力機轉(zhuǎn)速β和葉尖速比λ等的參數(shù)變化，風能利用系數(shù)Cp會隨之發(fā)生變化。當風輪葉片尖端線速度和風速比值為λopt時，表明風能利用系數(shù)Cp達到最優(yōu)，即Cp=Cp-max，得到風力發(fā)電機組轉(zhuǎn)速的最大功率為

2 分布式風光互補并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 分布式風光互補并網(wǎng)系統(tǒng)的雙閉環(huán)PI控制結(jié)構(gòu)

風光互補發(fā)電系統(tǒng)是在電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)控制器的雙閉環(huán)比例積分（Proportional Integral，PI）控制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加風力發(fā)電機的并網(wǎng)逆變器裝置，用于真實反映風力發(fā)電中電壓和電流控制信號的變化[4]。分布式風光互補并網(wǎng)系統(tǒng)的雙閉環(huán)PI控制結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 分布式風光互補并網(wǎng)系統(tǒng)的雙閉環(huán)PI控制結(jié)構(gòu)

內(nèi)環(huán)并網(wǎng)電流通過派克坐標變換方式，將轉(zhuǎn)子運行的a、b、c三相電流值投影并輸出到風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子的d軸和q軸，并跟蹤Id和Iq的參考值。該過程中，d軸和q軸電流受到并網(wǎng)逆變器交流輸出d軸分量電壓、q軸分量電壓、電網(wǎng)電壓Es、電流交叉耦合項ωLId以及ωLIq的影響。

為消除電網(wǎng)電壓擾動和電流耦合擾動情況，借助PI電流調(diào)節(jié)器，采用前饋解耦控制方式，引入電流狀態(tài)反饋和電網(wǎng)電壓前饋分別跟蹤Id、Iq的參考值和Ud、Uq的參考值，產(chǎn)生與控制目標相對應的d軸和q軸電流實現(xiàn)電流解耦控制，具體的計算公式為

式中：Ud*、分別為并網(wǎng)逆變器交流輸出d軸、q軸的分量電壓的參考值；Id*、分別為并網(wǎng)逆變器網(wǎng)側(cè)有功電流和無功電流的參考值；KI、KP分別為電壓過流和過載。

風機發(fā)電系統(tǒng)的雙閉環(huán)PI控制是利用霍爾傳感器、功率信號反饋法追蹤風機發(fā)電機外環(huán)的轉(zhuǎn)速值，反饋得到風機的轉(zhuǎn)速給定值和實時轉(zhuǎn)速值。內(nèi)環(huán)則將風機運行的a、b、c三相電流值投影輸出，得到d軸和q軸的電壓反饋值。在完成內(nèi)環(huán)d軸和q軸電流、外環(huán)d軸和q軸電壓控制計算后，經(jīng)PI控制器進行電流、電壓的矢量坐標變換，得到并流逆變器SPWM驅(qū)動控制信號。風機系統(tǒng)雙閉環(huán)PI控制策略的執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 風機發(fā)電系統(tǒng)雙閉環(huán)PI控制的執(zhí)行流程

2.2 風光互補并網(wǎng)逆變器輸出電壓的控制方式

為獲取需要的SPWM波脈沖信號，主要選取并網(wǎng)逆變器的電壓源輸入和電流源輸出結(jié)構(gòu)，采用調(diào)制法調(diào)制輸出的電壓和電流信號波形[5]。同時，由SPWM波脈沖信號的頻率決定開關(guān)組件的輸出基波電壓脈沖寬度、脈沖間隔、開關(guān)開啟/關(guān)閉的動態(tài)頻率以及輸出電壓頻率等參數(shù)，由輸入電壓的正弦波信號wa決定并網(wǎng)逆變器輸出電壓的相位和幅值。因此，在并網(wǎng)逆變器輸出電壓的相位和幅值控制中，設(shè)置輸入電壓的正弦波幅值和載波幅值分別為WAD和WED，得到正弦波波形調(diào)整的深度N，即

當正弦波波形調(diào)整深度N≤1的情況下，開關(guān)組件輸出基波電壓W的幅值WD、逆變的電壓幅值Wout的關(guān)系為

在完成并網(wǎng)逆變器輸出的電壓幅值和電壓頻率調(diào)整后，通過PLL鎖相環(huán)路鎖定并網(wǎng)電壓、電流的相位角、幅值以及頻率，確定逆變器輸出電流反饋相位和電網(wǎng)電壓相位角，從而生成與電網(wǎng)電壓相位同步的參考電流相位信號μ，用于風機發(fā)電系統(tǒng)參考電流指令的調(diào)整，使該指令達到逆變器觸發(fā)的控制信號條件。

3 分布式風光互補并網(wǎng)自動發(fā)電系統(tǒng)的切換控制策略

某地區(qū)的太陽光照和風速會受自然天氣、時間等外部條件的影響，因此設(shè)定風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)、Boost基波電壓-并網(wǎng)電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)的切換閾值以及2種發(fā)電模式切換的最小觸動值，以維持整個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性[6]。設(shè)置儲能蓄電池的荷電狀態(tài)（State of Charge，SoC）在10%～90%，分布式風光互補自動發(fā)電系統(tǒng)的工作模式和切換控制模式如表1所示。

表1 分布式風光互補自動發(fā)電系統(tǒng)的工作模式和切換控制模式

在不同自然天氣環(huán)境和時間等條件下，設(shè)置t時刻分布式風光互補系統(tǒng)受到的光照強度、風力速度分別為St、vt，那么鄰近t時刻的t+i時刻，系統(tǒng)所受到的光照強度、風力速度分別為St+i、vt+i，光照與風速的最小臨界值分別為St-min、vt-min。根據(jù)表1中分布式風光互補并網(wǎng)自動發(fā)電系統(tǒng)的4種工作模式，探討在實時工作過程中采取的切換策略。

（1）當St＜St-min且vt＜vt-min時，表示環(huán)境中無風無光，這時需要啟動蓄電池儲能設(shè)備，切換工作模式為01或10，給風電機DC/DC變換電路中的并網(wǎng)電流或轉(zhuǎn)速電流的控制提供支持，使其不出現(xiàn)欠流情況，同時維持并網(wǎng)逆變器控制信號的正常運作，直至蓄電池荷電狀態(tài)SoC＜10%時停止放電。

（2）當St＞St-min且vt＜vt-min時，表示外部環(huán)境中無風有光，此時采取Boost基波電壓-并網(wǎng)電流雙閉環(huán)的控制方式，由太陽能輻射光伏電池板為蓄電池充電至荷電狀態(tài)SoC＞90%時停止。同時，光電系統(tǒng)按照平均功率向高壓電網(wǎng)輸送電量，若達不到平均功率，則由蓄電池放電補充。

（3）當St＜St-min且vt＞vt-min時，表示外部環(huán)境中有風無光，此時采取風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，由風電機為蓄電池充電至荷電狀態(tài)SoC＞90%時停止。同時，風電系統(tǒng)按照平均功率向高壓電網(wǎng)輸送電量，若達不到平均功率，則由蓄電池放電補充。

（4）當St＜St-min且vt＞vt-min時，表示外部環(huán)境中有風有光，此時采取01工作模式或10工作模式，并根據(jù)光能、風能發(fā)生的現(xiàn)狀切換2種工作模式，為蓄電池充電至荷電狀態(tài)SoC＞90%時停止。同時，分布式風光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)按照平均功率向高壓電網(wǎng)輸送電量，若有余量，可靈活控制MPPT的連通或斷開。

4 結(jié) 論

文章研究了分布式風光互補并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)設(shè)計與切換策略。由于風光互補型發(fā)電儲能組件的發(fā)電量和輸出功率與當?shù)貐^(qū)域用電現(xiàn)場的用電量之間存在供電和輸電的關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用雙閉環(huán)PI控制電路和PLL鎖相環(huán)路，能夠構(gòu)建分布式風光互補并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)，同時利用風電機轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)和Boost基波電壓-并網(wǎng)電流的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，可以控制系統(tǒng)外環(huán)電壓、內(nèi)環(huán)電流、電壓反饋值以及并網(wǎng)逆變器輸出電壓等參數(shù)，有利于發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。根據(jù)不同自然天氣環(huán)境和時間條件下的光照風速，調(diào)整風光互補自動發(fā)電系統(tǒng)的工作模式、切換控制模式，能夠合理控制雙閉環(huán)PI電路，達成高效的風光發(fā)電與輸能目標。