光伏發電逆變并網系統復合控制策略

孟軍+徐先勇+方璐+賀西+汪沨

摘 要：研究了一種適用于兼顧無功補償的微網光伏并網逆變系統，提出一種單相光伏逆變器的復合控制方法.根據單相光伏逆變器的功率平衡原理，推導出光伏逆變器的直流側二次紋波電壓的大小，由此進行校正補償消除逆變器輸出的三次諧波電流.光伏單相并網逆變器的前饋基波調制信號可由其穩態數學模型得出，從而進行輸出電流快速前饋控制，然后利用無差拍控制器來實現輸出電流的閉環控制，從而形成了前饋+反饋的復合控制方法，可以實現單相逆變器輸出電流的快速、無差跟蹤.實驗和仿真結果表明了本文所提出的復合控制方法能夠提高光伏并網逆變器的工作性能，并改善微網的電能質量.

關鍵詞：微網；復合控制；有功功率控制；無功功率控制；光伏發電

中圖分類號：TK514 文獻標志碼：A

Hybrid Control Strategy of Photovoltaic Generation Inverter Grid-connected Operating System

MENG Jun1，2， XU Xianyong2， FANG Lu3， HE Xi3， WANG Feng3

（1. Business School， Central South University， Changsha 410083， China；

2.Hunan Electric Power Company， Changsha 410007， China；

3.Modern Engineering Training Center， Hunan University， Changsha 410082， China）

Abstract：A kind of micro-grid photovoltaic inverter system considering the reactive power compensation was studied， and a compound control method for photovoltaic inverter was proposed. According to the power balance principle of single-phase photovoltaic inverter， the value of dc-side second-ripple voltage was deduced. Thus， it can modify and eliminate the output third harmonic current of photovoltaic inverter. Based on the steady-state mathematical model of single-phase inverter， the feed forward fundamental modulation signal of the inverter can be calculated， and then the output current closed-loop control can be realized by using deadbeat controller. As a result， the feed forward-feedback compound control method was formed， which can achieve fast and zero-error tracking of output current. The experiment and simulation results show that the proposed compound control method can effectively improve the dynamic performance of single-phase and perfect the power quality of distribution grid.

Key words：micro grid； hybrid control strategy； active power control； reactive power control； photovoltaic generation

隨著全球能源發展戰略的變化，開發和利用綠色能源已經成為世界各國關注的焦點.太陽能作為一種可持續發展的綠色能源，其開發和利用已經引起世界各國和研究機構的高度重視，能源專家和工程技術人員對其開發利用進行了大量研究.建立光伏分布式發電系統，有助于為用戶提供豐富的綠色能源[1-2].同時也是實現我國節能減排和治理環境污染以及解決化石能源短缺的重要舉措[3-5].

由光伏發電系統的原理和構成可知，光伏電池輸出為直流電，必須通過逆變器轉換為交流電才能并網和向負荷供電[6].光伏并網逆變器的控制策略主要是為了提高光伏并網逆變器輸出電壓信號的穩態和暫態性能[7-9].在以光伏發電為主要微源的微網及含微網配電系統中，存在大量的感性負荷和非線性負載，其產生的大量無功功率會導致系統功率因數偏低，并使電壓偏低以及線路損耗加大[10-11].非線性負載還會產生各種頻次的諧波，造成微網系統的諧波污染、引發微網諧振，對微網的安全穩定運行造成影響.根據現有的文獻來看，目前普遍使用的光伏發電系統沒有無功補償的功能，以保證其最大輸出有功功率.非線性負載所引起的無功問題一般采取裝設專用的固定無功補償裝置或者靜止無功發生器等裝置進行動態無功補償，這增加了系統的成本，同時新增的無功補償裝置也會帶來新的電能質量和系統穩定運行方面的問題[12].

本文針對微網中現有技術的不足和存在的問題，提出一種兼顧無功補償的微網光伏并網逆變系統，該系統主要由光伏陣列電池、單相逆變器、輸出濾波器組成，可以實現微網有功和無功動態輸出、穩定系統電壓.在闡述該逆變系統工作原理的基礎上，提出了一種單相光伏逆變器的復合控制方法.該復合控制方法主要由基于逆變器數學模型的前饋控制和基于無差拍控制的反饋控制組成.仿真結果表明復合控制系統能有效提高單相逆變器的工作性能，改善微網的電能質量.

1 系統結構

微網光伏逆變并網系統結構如圖1所示，包括光伏陣列電池、Boost變換器[13]、單相全橋逆變器、輸出濾波器L.光伏陣列電池的輸出通過Boost變換器升壓，輸出連接單相電壓型逆變器的直流側電容；單相電壓型逆變器將直流電通過PWM 逆變器轉換成單相交流電，再經由輸出濾波器并聯接入電網.圖1中S1為功率管；C1為光伏陣列電池輸出電容；C為單相全橋逆變器直流側電容；Ls為輸電線路電感.光伏陣列電池輸出電壓信號為upv；電流信號為Ipv；us，udc，iC，is，iL分別為電網電壓、逆變器直流側電壓、逆變器輸出電流、電網電流和負載電流.由于微網中一般存在壓縮機、電動機和日光燈等感性負載，會產生一定量的無功功率，降低微網的功率因數，影響微網的電能質量.為此，本文提出了一種兼顧無功補償的光伏并網逆變器，該逆變器在向電網輸出有功功率的同時，還能夠向鄰近的感性負荷輸送一定的無功功率，從而改善微網的電能質量.

2 功率平衡及直流側電壓紋波分析

下面考察電網側單相逆變電路對直流側電容電壓的影響.設電網電壓us的表達式為：

其中，U為電網電壓幅值，ω為基波角頻率.假設單相光伏逆變器通過閉環控制技術，可以實現交流電流的閉環跟蹤，向電網輸出額定的有功電流，同時向電網輸出一定的無功電流來補償負載產生的感性無功.設輸出單相電流為：

I表示電網電流的幅值，Ip和Iq分別表示輸入電流中的有功和無功電流的幅值，φ表示功率因數角，且有Ip=Icos φ，Iq=Isin φ.假設光伏逆變器的輸出有功功率為Pd，同時向電網補償的無功功率為QC，忽略逆變器的功率損耗，則有：

輸出濾波電感值為L，則有電感電壓為：

則單相逆變器輸出功率：

由此可見單相光伏逆變輸出的功率，除了有功直流部分UIcos φ/2，還存在二次功率脈動.設直流側電壓udc由2部分組成：

式中Ud為直流側電壓穩態部分，Δu為直流側電壓紋波部分且令Δu=δsin （2ωt+φ），δ為直流側二次電壓紋波的幅值.

可以求得直流側電容產生的功率為：

根據能量平衡的原理，忽略直流側電容產生的4次脈動功率量，則有：

由于輸出濾波電感的電壓幅值ωLI遠遠小于電網電壓最大值U，故可以忽略由于輸出濾波電感引起的二次功率脈動.可以計算出直流側二次電壓紋波的幅值δ和相角φ為：

由上述分析可知，因為交流側的電壓電流均是正弦量，乘積得到的瞬時功率由平均功率和按二倍頻變化的脈動功率組成，這種波動功率導致直流側電容電壓二倍頻紋波的產生.紋波的大小與光伏并網系統容量成正比，與直流側電容值和電壓值成反比.

3 光伏逆變系統的復合控制方法

本文研究的光伏并網逆變系統由Boost變換器和單相全橋逆變器兩部分組成.系統的前級Boost變換器主要用來進行MPPT跟蹤控制，為了實現光伏電池的最大功率跟蹤，本文選取電壓閉環控制方法[14].本文針對后級單相光伏逆變器提出了一種復合控制方法，其控制框圖如圖2所示.

依據圖2，本文所提復合控制策略主要由以下幾部分構成：

1）MPPT控制部分

能量轉換效率是評估太陽能光伏發電系統性能的一個重要指標，一般通過提高太陽能電池能量轉換效率或通過采取先進的控制方法提高逆變器系統轉換效率兩個方面來提高光伏發電系統整體的能量轉換效率.目前，由于研制高效率的太陽能電池在技術程度上受到局限，故對太陽能電池的最大功率跟蹤控制技術成為當前研究的熱點課題，目前廣泛使用的有多種算法，如固定電壓法、擾動觀察法、電導增量法、間歇掃描法、模糊邏輯法等.

上述各類MPPT算法各有優點與缺點，本文控制方法主要針對實際樣機，更關心MPPT算法實現的難易程度和跟蹤精度，圖2中選擇擾動觀察法作為本文的MPPT控制方法.圖2中光伏陣列電池輸出電壓信號upv、電流信號Ipv經過MPPT算法輸出指令電壓信號u*pv和有功功率Pd，其中u*pv和upv構成閉環控制環節，二者差值作為PI控制器的輸入，PI控制器輸出信號經過PWM調試之后驅動光伏Boost變換器.Boost變換器輸出的直流側電壓與逆變控制時直流側電壓的耦合如下：對于BOOST電路有upv=udc*toff/T，其中T為開關周期，toff為開關閉合時間.Boost變換器高壓側電壓udc由后級逆變器經PI控制維持，MPPT控制的核心其實為改變Boost電路開關周期的占空比toff/T.在其高壓測電壓由后級逆變器的維持下，改變占空比即改變了Boost電路低壓側光伏板的輸出電壓，以實現MPPT.

2）逆變器雙閉環控制部分

圖2中逆變器雙閉環控制部分以逆變器直流側參考電壓u*dc與檢測的直流側電壓udc構成電壓外環閉環控制部分.u*dc與udc相減，然后減去式（9）所得出的二次電壓紋波分量，其差值經過式（11）變換后得出電流內環閉環控制部分的指令信號i*f.電流內環控制部分以光伏逆變器的輸出電流iC作為反饋量.

3）逆變器基波前饋控制部分

圖2中無差拍控制器的輸出信號ΔVf與式（15）計算得出的前饋基波調制信號Vf相加構成逆變器基波前饋控制部分.

上述圖2中的MPPT控制部分為較成熟控制，本文就不再詳細闡述.圖2中的逆變器雙閉環控制部分和逆變器基波前饋控制部分詳細推導，見下文.

根據交直流側功率平衡的原理，直流側電壓外環存在二次紋波脈動[15-16]，如果引入閉環控制系統中會使逆變器輸出三次諧波電壓和電流.三次諧波信號的產生機理如下：

電壓外環的跟蹤誤差經過控制器調節后，乘以電壓同步信號，即得到電流內環的指令信號.假設電壓外環為P控制，其增益為K，由于電壓外環存在二次紋波，則由紋波電壓而產生的指令電流為：

由此可見，二次紋波電壓會產生額外的三次諧波電流和基波電流指令，其幅值為Kδ/2.為此本文針對直流側電壓外環控制，提出了二次紋波電壓的濾除方法，消除紋波干擾，實現直流側電壓正常控制.首先將直流側參考電壓u*dc與檢測的直流側電壓udc相減，可以得到直流側電壓的直流分量的跟蹤誤差，經過PI控制器的調節處理后減去二次紋波分量，最后得到直流側電壓的調節指令Idc.

根據調節指令Idc、有功功率Pd和補償無功功率QC，可以計算出光伏逆變器的基波指令信號i*f：

其中U為電網電壓幅值，ωt由系統鎖相環獲得.無功功率QC可以通過檢測負載電流iL由單相瞬時ip-iq算法求得.Idc由電壓的閉環PI控制輸出，可以維持逆變器的直流側電壓穩定，彌補功率器件損耗導致的電壓下降.通過實時檢測光伏并網逆變器輸出的有功功率和無功功率，可以快速計算出期望輸出的基波電流大小，從而實現對基波電流的快速響應.

然后將光伏逆變器的基波指令信號i*f與光伏逆變器的輸出電流iC相減，得到電流的跟蹤誤差信號εf，然后經過無差拍控制器的處理，得到基波跟蹤誤差調制信號ΔVf.這樣通過無差

拍控制器的閉環控制[17-18]，輸出基波電流跟蹤誤差的微調信號，實現對基波電流的動態無差跟蹤.無差拍控制公式如下：

其中ur為調制波，Ts為控制周期，us為網側電壓.忽略單相光伏逆變器的功率損耗，則有單相光伏逆變器穩定運行時的輸出基波電壓為：

則可以求得逆變器穩定運行時的基波調制信號：

實現功率的快速跟蹤.根據有功功率Pd、補償無功功率QC和電網電壓，計算出前饋基波調制信號為：

其中ω，L分別為基波角頻率和輸出濾波電感值.通過式（15）可以快速控制逆變器輸出期望的電壓電流信號，實現對基波指令電流的快速響應.將單相光伏逆變器的基波跟蹤誤差調制信號ΔVf和前饋基波調制信號相加Vf，得到單相光伏逆變器的基波調制信號V*f.

將光伏逆變器的基波調制信號送入PWM調制單元，輸出得到逆變器的開關驅動信號，驅動逆變器使之輸出期望的電壓電流.這樣控制系統形成了前饋控制+反饋控制的復合控制方法，有效結合了前饋控制的快速響應速度和反饋的閉環跟蹤特性，實現了對輸出功率的快速、無差跟蹤，大大提高了光伏逆變器的性能.

4 仿真驗證

利用PSIM6.0模擬光伏發電系統，對本文所提出的適用于微網的光伏發電逆變并網逆變系統及其控制算法進行了仿真研究.仿真原理圖如圖1所示，光伏陣列電池使用其數學模型進行模擬，整個系統仿真參數如下：系統配單相電網側電壓為220 V；頻率為50 Hz；阻感負載參數中電感為15 mH，電阻為5Ω；輸電線路電感為0.02 mH；直流側電容為5 000 μF；輸出濾波電感為2.25 mH；單相光伏逆變器的額定容量為20 kVA.

1）直流側電壓紋波校正效果

當系統不投入感性負載，僅光伏逆變器進行有功功率輸出到電網，有功功率為12 kW.從圖3中可以看到，由于交流側的二次功率脈動會使直流側電壓產生二次紋波電壓.當次紋波不校正時，由此產生額外的三次諧波電流指令，從而使單相逆變器輸出電流中含有三次諧波電流.由于電壓外環的增益為2，所以檢測到紋波電壓幅值約為4.68 V和三次諧波電流幅值約為4.68 A，二者大小基本相等.

從圖4中可以看到，當電壓外環采取二次紋波校正時，由于電壓外環輸出不含二次紋波，從而使逆變器輸出電流中不含有三次諧波電流，輸出電流為基波正弦波，有效改善了光伏逆變器的輸出品質.

式（14）可作為光伏逆變器PWM調制時的前饋指令信號，從而迅速跟蹤指令信號的變化，

2）輸出電流的動態跟蹤效果

圖5（a）為負載電流波形，在0.3 s投入感性負載，負載功率為7 kVA，功率因數0.46，來驗證復合控制方法的優越性.圖5（b）與圖5（c）中的iC為逆變器輸出電流波形，is為網側電流波形，從圖中可以看出，投入感性負載后，逆變器輸出電流不僅包含了光伏發電系統的有功成分，而且補償了負載的無功.圖5（b）由于只采用了電流閉環反饋控制，其需要一個動態調節時間，約為一個電網周期.當采用本文所提的復合控制方法時，結果如圖5（c）所示，由于通過基于單相逆變器的穩態數學模型，可以計算出系統的前饋調制波信號，進行功率的快速控制，使輸出電流快速跟蹤指令電流，同時通過無差拍反饋閉環控制，實現對指令電流的穩態無差跟蹤.可以看出逆變器輸出電流的跟蹤性能大大提高，逆變器提供一部分有功電流給負載供電，電網有功電流減小了，同時逆變器補償了負載產生的無功電流，電網的電能質量得到了有效改善.

5 實驗驗證

為了進一步驗證理論分析和所提控制方法的可行性，在實驗室研制了5 kVA的220 V電壓等級的單相逆變器樣機，負載為RL串聯負載，容量為2.2 kVA，功率因數為0.8.圖6為部分5 kVA單相光伏逆變器系統樣機圖，其中圖6（a）為太陽能電池陣列，圖6（b）為單相光伏逆變系統控制版圖.

圖7（a）表示未投入光伏逆變器時的電網電壓和電流波形，電壓電流波形不同步，存在一定量的無功功率，同時負載功率完全由電網提供，功率因數為0.8；圖7（b）表示投入光伏逆變器時的電網電壓電流波形，在投入光伏逆變器后，逆變器通過檢測負載無功功率，進行無功動態補償，同時負載的有功功率可以全部由光伏逆變器提供，補償之后光伏逆變器剩余的有功功率傳輸給電網，穩定后系統電網電流為13.5 A，功率因數為0.99.

實驗結果很好地驗證了本文所提結構和控制方法的可行性，單相光伏逆變器在發電逆變給電網提供有功能量的同時，也可以補償臨近感性負載的無功功率，提高微網的電能質量.

6 結 論

針對微網單相光伏逆變器現有技術的不足和存在的問題，本文提出一種適用于微網的光伏發電逆變器的復合控制方法，并對其相關工作原理和控制策略進行了深入的研究，得出以下結論：

1）針對逆變器的直流側電壓控制，提出了一種直流側電壓紋波的校正補償方法，能有效改善逆變器的輸出品質.

2）根據逆變器的穩態數學模型，一種前饋+反饋的復合控制方法，有效提高了單相光伏逆變器的動態跟蹤性能.

3）仿真及實驗結果表明本文研究內容的正確性，同時本文提出的控制方法也可以推廣應用到其它類似系統中.

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