一種改進的光伏并網逆變器雙閉環控制策略

鄭偉強，高長偉，鄭煒亮，李潤生，楊林，王逢春

（1.遼寧營口供電公司，遼寧 營口 115002；2.遼寧科技學院電氣與信息工程學院，遼寧 本溪 117004；3.遼寧省電力有限公司技能培訓中心，遼寧 錦州 121000）

0 引言

開發利用可再生能源是解決能源與環境問題的有效途徑。太陽能是典型的綠色可再生能源，具有蘊藏量巨大、不受地域限制等優點。光伏發電是太陽能開發利用的一種重要方式，近年來受到了世界各國的普遍關注，但光伏發電系統易受環境條件影響，其源端功率輸出呈現一定的不確定性，不利于實現源、網、荷功率匹配與系統穩定控制[1]～[3]。典型的兩級式光伏并網發電系統通常利用前級DC/DC變換裝置將光伏源端輸出電壓轉換為相對穩定的直流電壓輸出，然后再經過后級DC/AC環節并入公共電網[4]，[5]。作為太陽能光伏發電系統與電網互連的關鍵接口裝置，并網逆變器及其控制策略直接決定了系統并網運行的安全性與可靠性，因此逆變器控制策略的研究對于光伏并網發電系統是十分重要的[6]～[9]。

常見的光伏并網逆變器控制策略主要包括PID控制、電壓電流雙環控制、重復控制和VSG控制等[10]，[11]。在上述典型控制策略中，VSG控制是一種新興控制策略，它能夠使分布式逆變電源在一定程度上呈現出傳統同步發電機所具備的旋轉慣性與阻尼特性[12]～[14]。然而，VSG控制策略的實施往往須要給光伏發電系統配備一定容量的儲能裝置，從而提高了系統的初次投資與運行維護費用，制約其進一步的推廣應用。目前，基于電壓外環與電流內環的雙閉環控制仍是高性能光伏逆變電源運行控制策略的發展方向之一[15]～[17]。該控制方案的具體實施不受系統儲能容量影響。典型的電流內環控制環節普遍采用濾波電感電流控制，基于該控制策略的光伏并網逆變器雖然具有較快的動態響應速度與較強的負載能力，但其控制效果易受電網電壓波動的影響。

針對基于電壓外環與電流內環的雙閉環控制策略存在的缺陷，本文提出一種改進的光伏并網逆變器雙閉環控制策略。外環是以控制直流母線電壓穩定為目的的直流電壓控制環節；內環在實施濾波電感電流控制的基礎之上引入了電網電壓前饋補償環節，提出一種電感電流實時反饋與電網電壓前饋補償的復合控制方式，以此抑制電網電壓波動給系統帶來的擾動。相關實驗結果驗證了改進控制策略的可行性與有效性。

1 光伏源端輸出特性分析

光伏源端功率輸出呈現一定的不確定性，當光伏電池受光照射時，其輸出電流以指數規律隨電壓變化。若將光伏源端等效為電流源，還須要考慮串聯等效電阻Rs、并聯電阻Rsh和分布電容C0等因素的影響。光伏電池等效電路如圖1所示。圖中：Iph為光生電流；I與U分別為光伏電池輸出電流與端電壓。

圖1 光伏電池等效電路Fig.1 Equivalent circuit of photovoltaic cell

式中：ΔI，ΔU為光伏電池輸出電流與端電壓變化量；ΔT為電池表面溫度變化量；a，b分別為光伏電池電流變化溫度系數和電壓變化溫度系數；S，Sref分別為實際光照強度、參考光照強度（1 000 W/m2）；T，Tref分別為實際溫度和參考溫度（298 K）。

綜上所述，基于式（2）～（8）即可利用光伏電池銘牌參數對光伏源端實時輸出特性進行分析。設定光伏電池相關參數：開路電壓Uoc=38.8 V、短路電流Isc=5.32 A、最大輸出電壓Um=36.5 V、最大輸出電流Im=4.65 A。當環境溫度為298 K時，在不同光照條件下，光伏電池源端輸出特性如圖2所示。

圖2 不同光照強度下光伏電池源端輸出特性Fig.2 Output characteristics of photovoltaic battery under different light intensity

2 并網逆變器的雙閉環控制策略

由圖2可見，光伏源端輸出功率受光伏電池表面光照強度的影響。兩級式并網光伏發電系統前級DC/DC環節通常采用MPPT控制，以提高系統發電效率，并盡量保持直流母線電壓恒定。目前，光伏MPPT控制技術發展得較為成熟。本文以應用最為廣泛的經典擾動觀察法作為兩級式光伏發電系統前級DC/DC環節控制策略，后級DC/AC環節采用一種基于電網電壓前饋補償的改進雙閉環控制策略對并網逆變器實施控制。

2.1 直流電壓外環控制

直流電壓外環控制可通過控制逆變器并網輸送功率來實現直流母線電壓調節，達到維持并網逆變器直流母線電壓恒定的控制效果，實現能量的穩定轉換。由系統功率守恒可得：

圖3 電壓外環控制圖Fig.3 The control diagram of outer-loop

外環控制的目標為直流母線電壓準確跟蹤參考電壓Uref保持恒定。當光伏并網發電系統調度功率需求小于光伏源端供給功率時，直流穩壓電容充電，存儲部分盈余能量，直流母線電壓上升；當光伏并網發電系統調度功率需求大于光伏源端供給功率時，直流穩壓電容放電，釋放存儲的能量，直流母線電壓下降。可見，通過控制直流穩壓電容的電壓就可以達到控制光伏電池供給功率與并網調度功率需求的相互平衡。

電壓外環采取比例積分（PI）控制，經過比例調節與濾波環節，將直流母線電壓實時檢測值與指令電壓Uref的偏差作為電流內環控制環節的參考電流。

2.2 電感濾波電流內環控制

圖4為依據SPWM控制基本原理所作的光伏并網逆變器控制框圖。將給定的并網電流指令值與光伏并網逆變器輸出電流實時檢測值之差經過比例積分（PI）控制環節調節后，再與三角載波進行比較，并向并網逆變器的電力電子開關器件送出觸發脈沖。

圖4 逆變器控制框圖Fig.4 The open-loop control block diagram of inverter

3 電網電壓前饋補償控制環節的引入

基于上述光伏并網發電控制思路，SPWM觸發脈沖將并網逆變器實時輸出電流檢測值與給定的電流指令值進行比較，經PI控制器調節后得到其偏差。利用SPWM觸發信號控制電力電子開關器件的開通與關斷，即可實現光伏并網逆變器輸出電流準確地跟隨指令電流。SPWM控制具有一定的諧波抑制能力，但對于與三角載波頻率相同的諧波分量作用甚微。當電網電壓幅值很高時，其波動對光伏逆變器并網控制系統擾動明顯，其作用不容忽略。為避免電網電壓波動對逆變器并網控制的不良影響，可在電流內環控制環節中引入電網電壓前饋補償環節。

引入電網電壓前饋補償后的電流內環控制框圖如圖5所示。其中：Iref為給定的并網電流指令值；IL為經濾波電路后的光伏并網逆變器實際輸出電流；G1（s）為網側濾波環節；G2（s）為光伏并網逆變器；G3（s）為PI控制器；G4（s）為增加的電網電壓饋入環節。

圖5 具有電網電壓前饋閉環控制框圖Fig.5 The closed-loop control block diagram based on the feed-forward of grid voltage

綜上所述，采取電網電壓前饋補償措施之后，并網逆變器控制系統抑制電網電壓擾動的能力有明顯提升。

4 實時仿真實驗

為驗證上述控制策略的正確性與有效性，基于RT-LAB實時仿真實驗平臺，搭建如圖6所示的兩級式光伏并網發電控制系統。該系統主要由上位機、以DSP28335為核心的控制器、HBUREP-100型實時仿真機和數字存儲示波器組成。前級DC/DC環節主電路采用典型的Boost升壓電路，利用經典的擾動觀察法對太陽能光伏電池陣列進行MPPT控制。后級DC/AC環節主電路為全橋逆變電路，采用本文所提出的基于電網電壓前饋補償的雙閉環控制策略對光伏并網逆變器實施控制，將其輸出的交流電并入工頻電網。最后，通過模型編譯生成C代碼的方式載入實時仿真機中運行。

圖6 兩級式光伏并網發電系統控制結構Fig.6 The control structure of two-level grid-connected photovoltaic generation system

以M×N光伏陣列（M與N分別為光伏電池組件串、并聯數）為例，對光伏陣列表面光照強度發生變化的典型工況條件下的光伏發電系統控制效果進行實時仿真實驗分析。光伏陣列參數如表1所示。

表1 光伏陣列參數設置Table 1 The parameters of PV array

在0.2 s時，光照強度由1 000 W/m2降低為400 W/m2，光伏并網發電系統的動態輸出特性如圖7～10所示。

圖7為光照強度發生變化時逆變器的直流母線電壓。由圖7可見，在系統啟動及光照強度發生變化過程中，0.1 s左右即可完成前級MPPT控制。當光照強度突然發生變化時，直流母線電壓經短暫的波動后，仍然能夠維持在500 V以上，系統在滿足動態響應要求的基礎上,保證了直流母線電壓的持續穩定。

圖7 光照強度發生變化時直流母線電壓Fig.7 Voltage of the DC bus when solar radiation intensity changes

光照強度發生變化前后并網電壓與并網電流波形如圖8所示。由圖8可見，當外界光照強度突然變化時，由于電網電壓的鉗制作用，并網逆變器的輸出電壓基本維持恒定。在經過0.05 s的瞬時波動后，并網電流能夠迅速趨于穩定值，且滿足相位與頻率要求。

圖8 光照強度發生變化時并網電壓與并網電流Fig.8 The voltage and current of the system when solar radiation intensity changes

當光照強度發生變化時，并網有功功率與無功功率波形如圖9所示。由圖9可見，光伏發電系統輸出功率經過短暫的波動后迅速趨于穩定。在逆變器并網運行的起始階段，光伏并網發電系統換流裝置須從電網吸收一定的無功功率，因此在其暫態過程中會產生比較明顯的無功功率波動。大約經過0.1 s的動態調整之后，無功功率趨于穩定，并且恒定為0，表明并網光伏發電系統具有良好的運行穩定性。

圖9 光照強度發生變化時并網有功功率與無功功率Fig.9 The active power and reactive power of the system when solar radiation intensity changes

光照強度發生變化時，光伏并網發電系統頻率波形如圖10所示。由圖10可見，系統頻率波動在±0.1 Hz以內，頻率質量優良，滿足電力系統電能質量要求。

圖10 光照強度發生變化時光伏并網發電系統頻率Fig.10 The frequency of the system when solar radiation intensity changes

5 結束語

根據本文提出的基于電網電壓前饋補償的光伏并網逆變器雙閉環控制策略，設計了光伏并網逆變器運行控制系統。以典型的兩級式光伏并網發電系統為控制對象，前級DC/DC環節采用經典的擾動觀察法作為MPPT控制策略，后級DC/AC環節采用本文所提出的雙閉環控制策略實施并網控制。實驗結果表明，采用本文所提出的改進雙閉環控制策略，當光照強度發生變化時，光伏發電系統并網運行狀態良好，驗證了所提出控制策略的正確性與有效性。