宋凱，任立平，尹大鵬

（1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210003;2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

作為可再生能源的一部分，太陽能的利用正受到越來越多的重視，它既可以減少傳統(tǒng)能源的消耗，又可以減少環(huán)境污染，我國正大力建設(shè)智能電網(wǎng)，太陽能作為一種最好的可再生能源，將迎來發(fā)展的契機［1］。

RTDS是高精確的實時仿真系統(tǒng)，在其基礎(chǔ)上建立兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實意義。并網(wǎng)逆變器作為發(fā)電設(shè)備與電網(wǎng)的接口設(shè)備，對其控制是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心。已有很多文獻(xiàn)記載了采用網(wǎng)側(cè)電流控制模式實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的控制，取得了較好的效果，但必須采用對電網(wǎng)電壓的鎖相環(huán)控制技術(shù)。本文提出了V/Q控制模式實現(xiàn)逆變器的并網(wǎng)控制，在保證逆變器直流側(cè)電流恒定的情況下，調(diào)節(jié)直流母線電壓，保證了逆變器功率因數(shù)為1的并網(wǎng)運行要求。光伏陣列的MPPT控制采用恒定電壓跟蹤法，通過大電感與逆變器直流側(cè)相連，從而保證了逆變器輸入的直流電流平滑，仿真表明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，控制系統(tǒng)性能優(yōu)良。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖

本文研究的并網(wǎng)光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1為兩級變換的光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，前級DC－DC變換器和后級DC－AC變換器之間設(shè)置一個足夠容量的直流濾波電容器C，該直流濾波電容C在緩沖前、后級能量變化的同時，也起到了前、后級控制的解耦作用。因此，對前、后級變換器的控制策略一般可以獨立進行研究［2］。兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制效果明顯提高，可保證直流母線電壓可控。DC－AC變換器直流母線側(cè)接有一個足夠大的平波電感L，主要起到平滑直流輸入電流波形的作用。電網(wǎng)電壓與頻率相對穩(wěn)定，在仿真中，采用無窮大的交流電壓源進行等效。接口變壓器是RTDS中專為大步長與小步長元件間設(shè)置的連接元件，可以把其等效為一個電感L1，即可以視為逆變器通過等效的LCL1濾波電路與電網(wǎng)相連，設(shè)置合理的參數(shù)值，可以消除諧波，保證并網(wǎng)波形質(zhì)量。

對圖1中三個假設(shè)如下:一是逆變器前端電感L足夠大，保證輸入電流平滑;二是逆變器中的功率開關(guān)器件為理想元件，即逆變器輸入與輸出有功P保持不變;三是光伏電池運行在標(biāo)準(zhǔn)測試條件（STC—Standard Test Conditions）下，STC是指外界溫度為25℃、光照強度為1 000 W/m2的輸入條件。

2 控制器的設(shè)計

本系統(tǒng)控制電路分兩部分，第一部分DC－DC變換器主要實現(xiàn)光伏電池陣列MPPT控制;第二部分是DC－AC變換器的V/Q控制。

2.1 DC－DC變換電路控制器設(shè)計

為了提高太陽能利用效率，在STC下，應(yīng)使太陽能電池陣列盡量工作在MPP處，因而要對光伏陣列進行MPPT控制。采用恒定電壓法來跟蹤光伏陣列MPP，既簡單又實用［3］?？刂瓶驁D如圖2所示。

其中:UPV為光伏陣列端電壓值;Vref為光伏陣列端電壓給定值。控制系統(tǒng)利用PI調(diào)節(jié)器來對開關(guān)管占空比D進行控制，設(shè)置合理的PI控制參數(shù)，光伏陣列端電壓采樣信號與電壓給定值比較，誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后，得到調(diào)制信號，載波信號幅值設(shè)為1，單極性調(diào)制，頻率為3 kHz，規(guī)定調(diào)制信號大于或等于載波信號時，開關(guān)管導(dǎo)通，反之則關(guān)閉，這樣就保證了調(diào)制信號幅值就是開關(guān)管占空比D值。

圖2 光伏電池恒定電壓跟蹤法控制框圖

2.2 DC－AC變換電路控制器設(shè)計

圖3 V/Q控制框圖

對光伏逆變器的控制有兩個控制要求:一是實現(xiàn)逆變器的前端直流電壓穩(wěn)定;二是實現(xiàn)并網(wǎng)電流控制及網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可調(diào)。文獻(xiàn)［4－5］記錄了采用控制網(wǎng)側(cè)電流并結(jié)合鎖相控制技術(shù)進行電網(wǎng)電壓相位跟蹤，達(dá)到功率因數(shù)為1的目的。本文采用的V/Q控制方式，采用正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM—Sinusoidal Pulse Width Modulation）原理很好地實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的控制，并保證了并網(wǎng)波形質(zhì)量。最大的優(yōu)點是消去了鎖相控制技術(shù)，大大簡化了控制系統(tǒng)。V/Q控制框圖如圖3所示。

其中:V為直流母線電壓;Vref為直流母線電壓給定值;Q為向電網(wǎng)輸送的無功;Qref為無功給定值;Angle為正弦調(diào)制波相位（rad）;Mag為正弦調(diào)制波幅值;載波頻率為3 kHz，幅值范圍為1，雙極性調(diào)制。SPWM調(diào)制波頻率采用電網(wǎng)頻率50 Hz，保證了并網(wǎng)波形與電網(wǎng)同頻的要求。

光伏發(fā)電并網(wǎng)運行時的單相電路原理如圖4所示，電網(wǎng)認(rèn)為是容量無窮大的電壓源，UG、iG、ZG分別為電網(wǎng)電壓、電流及阻抗，逆變器等效成電流源，輸出電流為i0，等效負(fù)載上的電壓、電流及阻抗分別為UL、iL與ZL。

圖3中有兩個被控量，V與Q。由于直流母線側(cè)接有大電感，電流平滑，設(shè)為I。控制直流母線電壓V，相當(dāng)于控制了逆變器輸入有功 P。

圖4 單相并網(wǎng)等效電路圖

由圖4可以得出:

由于電網(wǎng)線路阻抗ZG非常小，則可得出:

由（3）式可以看出，逆變器輸出電壓由電網(wǎng)電壓決定。逆變器輸出的有功功率P與無功功率Q還可表示為:

為了向電網(wǎng)輸入優(yōu)質(zhì)電能，逆變器輸出的功率中盡量減少無功功率，使功率因數(shù)接近1，即要求Q=0。由于P注入電網(wǎng)為正，根據(jù)式（4）與（5）可以得出，∠UG=∠i0，達(dá)到了同相位的目的。

根據(jù)上述分析，控制無功Q=0，就可以使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1。

3 實驗與仿真

根據(jù)上述論述，在RTDS/RSCAD上建立仿真模型，光伏陣列設(shè)計最大功率為53 kW，MPP處電壓為0.87 kV。系統(tǒng)中主要參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

3.1 光伏陣列MPPT控制仿真

控制模型中 PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定為:比例系數(shù) KP=0.5;積分系數(shù)Ki=20。設(shè)置Vpvref=0.87 kV。仿真波形如圖5所示。

圖5中，Vpv為光伏陣列端電壓實際值;Ipv為光伏陣列端電流實際值;Ppv為光伏陣列輸出功率實際值。

圖5 光伏陣列端電壓、電流、功率仿真波形

3.2 并網(wǎng)逆變器V/Q控制仿真

V/Q控制模塊中，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置如下。比例系數(shù)K

P=3.5;積分系數(shù)為Ki=500。直流母線參考電壓VDCref=0.6 kV，注入電網(wǎng)無功Qref=0。仿真波形分別如圖6與圖7所示。圖中，V為逆變器直流母線電壓實際值;QML為網(wǎng)側(cè)無功實際值。

圖6 恒壓控制波形

逆變器并網(wǎng)功率因數(shù)與波形質(zhì)量是衡量并網(wǎng)的兩個重要因數(shù)。要求并網(wǎng)處功率因數(shù)為1，即同相電壓與電流同相位。波形如圖7所示，分別為 A、B、C三相電壓與電流波形。圖 8 中，N11、N22、N33為網(wǎng)側(cè)入口處三相電壓;IBRKA、IBRKB、IBRKC為網(wǎng)側(cè)入口處三相電流。

對圖8中三相電流IBRKA、IBRKB、IBRKC波形諧波分析如表2所示，僅列出前七次諧波的含量。

圖7 恒無功控制波形

圖8 并網(wǎng)電壓與電流波形

表2 并網(wǎng)三相電流諧波含量表

總諧波含量（THD—Total Harmonic Distortion）等于各階次諧波含量平方和再開根號。由上表提供的數(shù)據(jù)，可以計算三相電流IBRKA、IBRKB、IBRKC的 THD 分別為:0.686%、0.332%，0.678%，諧波含量很小。Fourier分析可知，光伏逆變器并網(wǎng)電流諧波含量在標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，滿足并網(wǎng)要求。

4 結(jié)束語

利用RTDS/RSCAD建模并仿真，仿真精度高，能實時控制，并可以為外接設(shè)備提供測試環(huán)境。采用V/Q控制方式實現(xiàn)光伏并網(wǎng)控制，不需要采用鎖相控制技術(shù)，簡化了控制系統(tǒng)設(shè)計，能準(zhǔn)確實現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)節(jié)，控制效果好。利用LCL濾波電路實現(xiàn)并網(wǎng)，很好地保證了并網(wǎng)波形質(zhì)量。

［1］任立平，董興綠，于躍海，等.基于RTDS太陽能電池建模及最大功率點跟蹤控制［J］.江蘇電機工程，2011，30（5）:17 －19.

［2］張興，曹伝賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010:127－128.

［3］楊帆，彭宏偉，胡為兵，等.太陽能電池最大功率點跟蹤技術(shù)探討［J］.電子電器，2008，31（4）:1081 －1084.

［4］王彥.太陽能光伏發(fā)電雙模式逆變器控制策略研究［D］.山東:山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009:20－36.

［5］過亮.獨立/并網(wǎng)雙模式逆變器控制技術(shù)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008:46－59.