光伏系統逆變器電能的改進控制策略

賈成云

【摘?要】光伏發電系統主要由光伏組件、控制器、逆變器、蓄電池及其它輔助配件組成。根據是否接入電網，光伏發電系統分為并網和離網兩種，后者不需要依賴電網，可以獨立運行。經典的控制策略沒有考慮線路阻抗問題，然而實際的系統中卻存在阻抗，這就導致互聯逆變器之間循環功率對逆變器造成沖擊，降低效率并減小逆變器的功率分配精度。本文就光伏系統逆變器電能的改進控制策略展開探討。

【關鍵詞】光伏發電;逆變器;控制策略

引言

隨著光伏發電系統的利用率也在激增。作為光伏發電系統與電網并網環節中最重要的逆變器的控制方式是研究的一大重點。逆變器控制策略的好壞直接影響到光伏發電系統與電網連接的穩定性，對光伏系統內部運行穩定性也有很大的影響。

1逆變器數學模型

由于脈沖寬度調制（pulsewidthmodulation，PWM）控制技術使用廣泛，因此本文中并網電流的控制采用此技術。其輸出的是對應于給定調制正弦波的一系列脈沖信號。驅動電路用于實時改變可控開關裝置的導通和斷開，使得逆變器的輸出電流波形和電網中的電壓波形能夠達到相同的頻率和相位，從而滿足并網條件。根據逆變器的工作原理，可以得到PWM調制電路和逆變器輸入輸出的傳遞函數如下：

式中：Kab為傳遞系數;τ為滯后時間常數，與PWM的載波周期相等。由于使用PWM控制時，開關的開通與關斷的頻率遠大于工頻50Hz，因此，在建立數學模型時，通常可以忽略一些因素的影響，例如開關管的死區效應以及導通電壓降等。由此，單相橋的逆變器可以視為簡單的比例鏈路。PWM比例系數為：

2電壓源逆變系統的結構及原理

電壓源逆變系統主要用于光伏系統的工業發電領域。通常系統由4個主要部件組成：逆變器、交流電感器、直流電容器和交流濾波器，其中直流電容器是由兩個電容器串聯而成，兩個電容器之間接地;而交流濾波器由電阻、電感和電容串并聯組成。由于光伏逆變系統內存在LC諧振電路，所以系統中一定會有諧振產生。由于逆變器系統內LC回路會產生諧振，而電網所提供的電流和電壓自身會帶有高次諧波，這樣將導致振蕩回路中的高次諧波疊加在原有的高次諧波中。對于50次以上的高次諧波，在沒有經過LC回路時，諧波畸變率盡管很小，但因LC回路產生的諧振增大了，傳統的有源濾波器只能濾除50次以下的諧波，50次以上的諧波無法濾除，因此將優化后的阻尼器與逆變器和交流阻抗并聯。

3改進逆變器下垂控制策略

3.1傳統下垂控制的基本原理

分別通過有功/頻率（P/F）和無功/電壓（Q/V）雙環控制來獲得穩定的頻率和電壓。根據微電網的控制目標，若電源輸出P0減小，通過下垂特性增加F0其中，P0和F0初始有功和頻率，從而增大電源的有功P;反之亦然。由逆變器輸出功率得

假設系統為高壓電網有XsiRsi，則式（1）化簡為

圖1為常規逆變器下垂控制方框圖。其中，K1、K2分別為有功、無功下垂系數;Ut為合成電壓。

根據圖1，傳統下垂控制策略公式為：

常規PQ控制策略通過控制一定參數來控制逆變器的輸出。在低壓網絡中，線路阻抗無法忽略以及系統運行時的不對稱，逆變器的功率分配誤差比較大，下面介紹改進PQ控制策略。

3.2電壓電流雙環控制

目前的光伏發電系統研究中，許多專家學者提出了很多雙環（回路）控制的方案。其中，常見的就是電壓電流雙環控制。電壓-電流雙環（回路）控制策略的基本原理介紹如下。雙環（回路）控制的外環是采用的電壓控制回路，其返還從逆變器輸出的電壓信號u。此信號與正弦基準電壓信號uref相比，比較后的誤差值uc，在PI調節器的調節后，結果信號用作內環的參考值iref。雙環（回路）控制的內環采用電流控制環，即返還逆變器輸出的電流信號i。此信號與從外環獲得的電流參考值iref相比較，得到參考值ie。然后，將比較后得到的誤差值ie發送到比較器，在具有三角波載波比的比較器的作用下，產生PWM波。最后，根據該PWM波信號來調控功率開關器件的導通和斷開。這樣就能實現電能的逆變。在此控制策略中，逆變器中的各個開關管的工作頻率都是固定的。所以，逆變器輸出的諧波頻率也是固定的。該控制方法控制效果好。

3.3獨立運行到并網運行的分析

假設逆變器初始運行模式為獨立運行，此時控制方式為下垂控制，逆變器發出的有功功率和無功功率全部被負載吸收（此時模型不考慮線路和器件損耗），在閉合并網開關后控制方式應該切換為PQ控制，以此完成并網過程。（1）電流過渡并網。為了使處于獨立運行模式的逆變器采用電流過渡的方法并入大電網時，需要先切換到PQ控制，然后再閉合并網控制開關，在Matlab/Simulink搭建仿真模型。在上述模型建立的過程中，在0.2s時切換控制方式，0.3s閉合并網開關。逆變器開始處于獨立運行狀態時，并網控制開關處于斷開情況下，并網電流為0。0.3s時，并網開關閉合，并網電流擾動時間極端，隨后趨于正常。（2）電壓過渡并網。當逆變器采用電壓過渡的方法進行并網時，需要先閉合并網開關，再切換控制方式。在0.2s前逆變器處于獨立運行狀態時，逆變器處于下垂控制。此時系統如果沒有遭受干擾，逆變器的輸出是非常穩定的。在并網開關閉合那一時刻，逆變器的輸出電壓也會受到影響。閉合并網開關時，會有沖擊電流出現，并網狀態不穩定;在切換控制模式開關后，也需要經過三個周期左右才能夠恢復正常。經過上述兩種方式的對比，當從獨立運行向并網狀態運行時，采用電流過渡方式在過程中引起的擾動更小。因此，逆變器的并網切換過程應先切換模式控制開關，再進行并網。

結語

當逆變器處于并網運行運行狀態時使用PQ控制策略，可以穩定高效的保證逆變器的輸出;當逆變器處于獨立于行狀態時，應使用下垂控制，可以最大限度的消除擾動。當逆變器從并網狀態切換到獨立運行時，應先切換模式控制開關，將PQ控制切換到下垂控制，然后斷開并網開關，完成脫網過程;當逆變器從獨立運行切換到并網運行時，需要先動作模式控制開關，再動作并網開關。通過切換不同的控制模式，可以實現逆變器運行模式之間的平滑切換。

參考文獻：

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（作者單位：中國水電建設集團新能源開發有限責任公司西北分公司）