小型多模式智能逆變器控制方法研究

葉 青

（上海電力新能源發展有限公司，上海200010）

0 引言

隨著分布式發電技術的發展，光伏發電不再只是集中電站并網的形式，越來越多的分布式光伏發電接入電網中。為推動分布式發電的應用，國家發展改革委2013年印發關于《分布式發電管理暫行辦法》，提出對于分布式發電，電網企業應提供并網服務，政府給予一定補貼等規定。2～5kW 小型光伏并網系統將會成為未來光伏發電的主流，而并網逆變器是發電系統的核心設備。

本文針對分布式發電的特點，提出一種多端口輸入的新型逆變器拓撲結構，可同時接入兩路光伏發電單元和一路儲能單元，并給出了逆變器的整體硬件結構，對其控制策略進行了詳細說明。在理論研究的基礎上，進行了仿真和實驗驗證，仿真和實驗結果表明，理論正確可行，多端口逆變器能夠很好地實現對于分布式發電系統的管理，能夠實現并網、離網、PQ 可調節三種工作模式，操作簡單、運行可靠。

1 逆變器拓撲結構

分布式發電中用的并網逆變器特點是功率等級小，但集成的功能較多，較傳統并網逆變器更智能。本文設計的逆變器可接入兩路獨立的光伏發電單元和一路儲能單元，具體結構如圖1所示。

圖1 智能逆變器系統結構

這里設計的系統，光伏電池板的電壓一般在150～300V 左右，儲能蓄電池系統的電壓一般在45～65V 左右。逆變器主要由四部分組成：兩個BOOST升壓DC/DC 變換器，用來接兩路獨立的光伏發電，實現升壓、MPPT 等功能；一個雙向DC/DC 變換電路，采用DAB 拓撲結構，實現升、降壓和對于蓄電池的充放電，通過對電池的充放電兼顧穩定直流BUS電壓等功能；一個單相逆變電路，采用H 橋結構，實現逆變并網、離網、PQ 可調節等功能。

2 逆變器整體控制策略

2.1 并網模式控制策略

在并網工作模式下，要求光伏電池板輸出最大功率，電池盡量保持電量充足，系統發出的有功功率并入電網中。此時，兩個BOOST 電路都工作在MPPT 策略模式，其控制框圖如圖2所示。

圖2 BOOST 電壓的MPPT 控制框圖

DAB在蓄電池電量充足的情況下，工作在熱待機狀態；在蓄電池電量不足的情況下，工作在適當的充電狀態。圖3 為DAB在并網模式下的控制框圖。

圖3 并網模式DAB控制框圖

為保證直流BUS電壓的穩定，同時將逆變器系統的發電功率并入電網，H 橋電路采用電流內環、電壓外環的控制策略，控制框圖如圖4所示。

圖4 并網模式H 橋電路控制框圖

2.2 離網模式控制策略

在離網模式下，要求逆變器為一個獨立的電壓源，所以輸出功率的大小無法控制。H 橋要負責控制輸出電壓為220V、50Hz的正弦波，其電壓外環的給定由原來的直流電壓改成交流輸出電壓。具體控制框圖如圖5所示。

圖5 離網模式H 橋電路控制框圖

H 橋要控制輸出電壓，所以直流BUS 電壓的穩定不能再由H 橋電路負責，這里用DAB電路通過對電池的充放電，來穩定直流BUS電壓。圖6是離網模式下DAB電路的控制策略框圖。

圖6 離網模式DAB控制框圖

電池電量過高，光伏電池板發電功率大于獨立模式下負載的功率時，BOOST 選擇棄光，保證系統正常運行。電池電量過低，只能根據用戶的不同選擇，停機或減小逆變器系統所帶負載，以保證系統穩定運行。

2.3 PQ 可調度模式控制策略

整個逆變器系統作為一個微電源接入電網時，為保證和諧地接入，要求逆變器系統可以工作在PQ 可調度模式。逆變器要按PQ 指令輸出功率，不能穩定直流BUS電壓。所以，這種情況下，H 橋的外環指令來源于PQ 給定值，其控制框圖如圖7所示。

圖7 PQ 可調度模式H 橋電路控制框圖

這種情況下H 橋電路仍然不能穩定直流BUS電壓，所以還是由DAB通過控制電池的充放電來穩定直流BUS電壓，其控制框圖如圖8所示。

圖8 PQ 可調度模式DAB控制框圖

電池電量過高時，DAB 不能再進行對蓄電池的充電操作，光伏電池板發電功率大于PQ 調試指令的給定值時，BOOST選擇棄光，保證系統正常運行。電池電量過低，DAB 不能再進行對蓄電池放電的操作，只能根據用戶的不同選擇，停機或減小PQ 調度指令，以保證系統正常運行。

3 數字控制系統的分層實現方法

智能逆變器系統設計三套DSP核心控制板，兩個BOOST電路一套，DAB一套，H 橋逆變電路一套。針對不同的工作模式，各單元的分工不同，選擇的控制策略也不同。為達到通訊速度要求，這里設計將模式選擇和模式切換的控制寫在上位機控制屏的組態軟件中，上位機提供整個逆變器系統的人機交互界面，并通過485通訊方式與各單元連接。人工選擇工作模式通過控制屏下達給逆變器各個單元的DSP控制核心控制板，而每個模式下電力電子控制算法則直接在各單位自己的DSP 控制器中。不同模式下控制算法所要檢測的量也全部能通過檢測電路的方式將信息傳到DSP中，以保證處理速度。智能逆變器系統分層控制圖如圖9所示。

圖9 分層控制示意框圖

4 仿真結果與仿真波形分析

在理論研究的基礎上，為驗證算法的正確性，在Matlab/Simulink 2012b平臺上對整體智能逆變器系統進行了仿真。下面對仿真波形進行說明分析。

圖10為逆變器系統在沒有和大電網連接的情況下運行，帶3kW 左右阻性負載的仿真波形。

圖10 離網模式仿真波形

其中幅值較大的為電壓波形，幅值較小的為電流波形。由電壓波形可以看出智能逆變器在作為電壓源輸出的時候，輸出電壓可以達到穩定有效值220V、頻率50Hz的要求。

圖11為并網模式下，逆變器系統并網點的電壓、電流波形，可以看出電流的大小在逆變器啟動的前幾個周期有一定波動。這是因為BOOST 電路在啟動的前幾個周期MPPT 算法的調節過程使得直流電壓波動較快，H 橋為穩定直流電壓，輸出的電流有一定的波動，在幾個周期后達到穩定。可以看出逆變器整體向電網輸出的電流不斷增大，到最大功率點后達到穩定。功率因數為1，波形畸變很小。

圖12為PQ 可調度模式下逆變器并網點輸出的電壓、電流波形，指令給定為有功功率3kW、無功功率2kW，可以看出，輸出功率與調度指令相符。

圖12 PQ 可調度模式仿真波形

5 實驗結果與實驗波形分析

在理論和仿真的研究基礎上，搭建了一個5kVA 級別的智能逆變器系統實驗平臺。光伏電池板用GSS可編程直流電源模擬，蓄電池采用48 V、120 Ah 的鋰電池，控制器均采用DSP28335，上位機控制屏采用昆侖通態的TPC7062K。圖13～15分別給出了三種模式下逆變器運行的實驗波形，可以看出逆變器的功能基本實現，證明了理論的正確性和可行性。

6 總結與展望

針對分布式發電的特點，本文提出了一種應用于戶用小功率發電系統中的智能逆變器，實現了逆變器的多端口接入功能，可同時接入兩路光伏發電和一路儲能，實現了并網、離網、PQ 可調度三種工作模式。文中給出了詳細的理論推導和控制策略的說明，并對整個逆變器系統進行了仿真和實驗驗證，通過對仿真和實驗結果的說明和分析，驗證了理論的正確性和可行性。

圖13 離網模式實驗波形

圖14 并網模式實驗波形

圖15 PQ 可調度模式實驗波形

本文通過實驗平臺的驗證，證明了三種模式的控制理論的正確性，同時在做實驗的過程中也發現了新的問題。比如，在獨立模式運行的時候，帶容性負載和感性負載的比例過大時會發生電壓控制不穩定的情況。下一步可以對逆變器獨立運行時帶不同負載的能力進行深入研究。

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