分布式光伏逆變器多模式滑?？刂品椒胺抡娣治?/h1>
2015-12-19 03:15:44李清然張建成
李清然，張建成
(華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071003)
0 引言
隨著光伏發(fā)電設(shè)備成本降低及國(guó)家政策的激勵(lì)，分布式光伏發(fā)電的滲透率不斷增加。逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其性能優(yōu)劣直接影響輸出電能的質(zhì)量，逆變器的控制技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)［1－2］。
常用的逆變器控制策略有PI 控制［3］、比例諧振控制［4－7］、重復(fù)控制［8－10］、無差拍控制［11－13］等。PI 控制簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但控制精度較差，加入電網(wǎng)電壓前饋［14－15］后可以減小輸出電流的穩(wěn)態(tài)誤差，但不能改善輸入電壓擾動(dòng)等因素引起的輸出電能質(zhì)量問題;比例諧振控制可以消除穩(wěn)態(tài)誤差但同時(shí)存在帶寬限制問題;重復(fù)控制對(duì)于周期性擾動(dòng)有良好校正作用，但其對(duì)于非周期性擾動(dòng)效果較差;無差拍控制動(dòng)態(tài)性能好，但需要預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的期望電流值，對(duì)運(yùn)算速度和系統(tǒng)模型精確性的要求較高，控制精度和魯棒性能受預(yù)測(cè)算法影響很大。
目前光伏系統(tǒng)中逆變器的控制方法研究多集中于逆變器本身控制而沒有與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、逆變器前級(jí)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)運(yùn)行方式及控制目標(biāo)等因素相結(jié)合。另外，隨著分布式光伏電源滲透率的增加，分布式光伏參與電網(wǎng)調(diào)度、調(diào)峰、功率支持等問題也成為主動(dòng)配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，目前這方面的研究也比較少。
本文分析了光伏系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)和離網(wǎng)運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行兩種主要運(yùn)行方式，并根據(jù)是否配備充足儲(chǔ)能裝置及參與電網(wǎng)調(diào)度，將并網(wǎng)運(yùn)行方式分為自然功率并網(wǎng)及調(diào)度功率并網(wǎng)。針對(duì)不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，提出不同控制目標(biāo)及相應(yīng)的逆變器控制策略?；？刂凭哂辛己玫淖赃m應(yīng)性和魯棒性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、對(duì)參數(shù)及擾動(dòng)不敏感、簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)良特性［16－17］。因此本文選用滑?？刂茖?shí)現(xiàn)不同運(yùn)行方式下逆變器控制方案，保證了輸入電壓擾動(dòng)時(shí)逆變器輸出電能的質(zhì)量。詳細(xì)分析了不同運(yùn)行方式下逆變器滑模變結(jié)構(gòu)控制方案的具體設(shè)計(jì)過程，并且在MATLAB/SIMULINK 仿真平臺(tái)對(duì)各種運(yùn)行方式及控制策略進(jìn)行仿真分析。
1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式
1.1 系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)
分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、Boost 變換器、直流母線、儲(chǔ)能系統(tǒng)、直流負(fù)載、逆變器、交流負(fù)載等部分構(gòu)成。典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
光伏陣列經(jīng)過Boost 變換器接入直流母線，Boost 電路除具有升壓功能，使光伏電池輸出電壓與直流母線電壓匹配外，還具有最大功率跟蹤功能，使光伏電池的效率最大化。在配備有儲(chǔ)能系統(tǒng)的分布式光伏系統(tǒng)中，儲(chǔ)能裝置經(jīng)雙向DC/DC變換器接入直流母線，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。雙向DC/DC 變換器使儲(chǔ)能器件之間的相互配合及與直流母線電壓的匹配更加靈活。超級(jí)電容器等功率密度型儲(chǔ)能器件與蓄電池等能量密度型儲(chǔ)能器件相互配合的混合儲(chǔ)能裝置在平抑功率波動(dòng)、提升電能質(zhì)量等方面具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)［18－20］。直流母線實(shí)現(xiàn)能量匯集，供給直流負(fù)載，并經(jīng)過逆變器與大電網(wǎng)相連。本地交流負(fù)載可以由光伏發(fā)電系統(tǒng)供電或者由電網(wǎng)供電。
圖1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Typical structure of distributed photovoltaic system
1.2 系統(tǒng)運(yùn)行方式
當(dāng)電網(wǎng)故障或者用戶需要不同于市電的電能形式時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行，本地的交流負(fù)載由光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變系統(tǒng)供電。當(dāng)用戶需要并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，如果光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有配備儲(chǔ)能裝置或者儲(chǔ)能裝置退出運(yùn)行，則逆變系統(tǒng)將光伏輸出的最大功率在滿足用戶需要后剩余的電能實(shí)時(shí)送入交流電網(wǎng);如果光伏發(fā)電系統(tǒng)配備有儲(chǔ)能系統(tǒng)，逆變系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令，向電網(wǎng)注入或者從電網(wǎng)吸收調(diào)度要求的定量有功和無功功率。
2 離網(wǎng)運(yùn)行模式
對(duì)于容量不大的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，多采用單相逆變器與電網(wǎng)相連，因此本文依托單相全橋逆變器展開研究。光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行模式下，以保證負(fù)載電能質(zhì)量為目標(biāo)，逆變器采用滑模電壓控制策略。逆變器控制為電壓源，控制逆變器的輸出濾波電容電壓。光伏系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行模式下逆變器控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖中:Udc為逆變器直流側(cè)輸入電壓即直流母線電壓;Lf與Cf分別表示逆變器的輸出濾波電感和濾波電容;uc為濾波電容兩端的電壓;ucref為濾波電容兩端電壓參考值;Rload為本地負(fù)載。
為獲得良好的抗負(fù)載擾動(dòng)特性，取輸出濾波電容兩端電壓uc及其導(dǎo)數(shù)作為狀態(tài)變量，建立狀態(tài)方程:
圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行逆變器控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Inverter control structure when PV system is stand-alone
式中:u 表示開關(guān)器件的工作狀態(tài)。
以狀態(tài)偏差量建立滑模面函數(shù):
式中:c1為滑模面系數(shù)。
采用指數(shù)趨近律縮短到達(dá)滑模面的時(shí)間:
式中:sgn(s)為符號(hào)函數(shù);ε1和k1為指數(shù)趨近律待定系數(shù)。k1能保證當(dāng)s 較大時(shí)系統(tǒng)以較大的速度趨近滑動(dòng)模態(tài)，ε1使得當(dāng)s 接近0 時(shí)，趨近速度不是0，保證系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)滑動(dòng)模態(tài)。通過選擇合理的ε1和k1(ε1＞0 且ε1很小，k1＞0 且k1適當(dāng)大)可以保證快速趨近并削弱抖振現(xiàn)象。
聯(lián)立式(1)～(4)得到等效占空比:
取Lyapunov 函數(shù)進(jìn)行滑模存在性和系統(tǒng)穩(wěn)定性證明，
對(duì)Lyapunov 函數(shù)求導(dǎo)，
在離網(wǎng)運(yùn)行模式下，參考電壓ucref可以依據(jù)用戶的需要選取合適的形式。在上述滑模電壓控制作用下，逆變器的輸出電壓自動(dòng)跟蹤參考電壓從而使逆變器輸出用戶需要的電能形式，滿足用戶個(gè)性化電能需求。
3 并網(wǎng)運(yùn)行模式
光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行模式下，為獲得較好的動(dòng)態(tài)性能，逆變器控制為電流源，采用滑模電流控制策略，控制逆變器輸出電流。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行模式逆變器控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行逆變器控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Inverter control structure when PV system is grid-connected
其中:iL為并網(wǎng)電流;iLref為逆變器并網(wǎng)電流參考值;us為電網(wǎng)電壓。由圖3 可得方程如下:
式中:u 與2 中相同，表示開關(guān)器件的工作狀態(tài)。以狀態(tài)偏差量建立滑模面函數(shù):
式中:c2為滑模面系數(shù)。
與2 中相同，采用指數(shù)趨近律，縮短到達(dá)滑模面的時(shí)間，ε2和k2為指數(shù)趨近律待定系數(shù)，取值原則與2 中相同。
聯(lián)立式(8)～(10)并化簡(jiǎn)得到等效占空比:
滑模存在性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的證明與2 中相同，此處不再贅述。
并網(wǎng)運(yùn)行模式下，根據(jù)是否配備儲(chǔ)能系統(tǒng)并參與電網(wǎng)調(diào)度，將并網(wǎng)模式分為自然功率并網(wǎng)和調(diào)度功率并網(wǎng)，二者的參考電流生成方式不同。在電力市場(chǎng)環(huán)境下，調(diào)度并網(wǎng)模式光伏系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)了電網(wǎng)需求，維護(hù)了電網(wǎng)的穩(wěn)定，并網(wǎng)電價(jià)應(yīng)高于自然并網(wǎng)模式。
3.1 自然功率并網(wǎng)
分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于光強(qiáng)、溫度等自然因素影響，光伏陣列輸出的最大功率具有隨機(jī)性與波動(dòng)性。在無儲(chǔ)能裝置的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，采用自然功率并網(wǎng)，即將光伏陣列輸出功率實(shí)時(shí)并網(wǎng)。
自然功率并網(wǎng)模式下，逆變器輸出電流需要跟隨光伏電池輸出的功率實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。自然功率并網(wǎng)模式逆變器控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 自然功率并網(wǎng)模式逆變器控制框圖Fig.4 Control diagram of inverter in natural power to grid mode
逆變器采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。外環(huán)通過穩(wěn)定直流電壓Udc實(shí)現(xiàn)逆變器輸入輸出能量的平衡?？刂葡到y(tǒng)采集逆變器直流側(cè)電壓Udc與直流電壓參考值Udcref進(jìn)行比較，電壓偏差量經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)生成內(nèi)環(huán)參考電流的幅值。通過檢測(cè)電網(wǎng)電壓相位θ 作為內(nèi)環(huán)電流參考值的相位，以實(shí)現(xiàn)逆變器單位功率因數(shù)并網(wǎng)。電流內(nèi)環(huán)采用滑模電流控制，可以使內(nèi)環(huán)電流迅速跟蹤電流參考值，動(dòng)態(tài)性能良好。
3.2 調(diào)度功率并網(wǎng)
與自然功率并網(wǎng)不同，調(diào)度功率并網(wǎng)要求逆變器輸出的功率跟隨調(diào)度指令變化。由于光伏電池輸出功率受環(huán)境等因素影響具有隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性，調(diào)度指令與光伏電池輸出功率間必然存在差額，因此能夠參與調(diào)度的光伏系統(tǒng)必須配備儲(chǔ)能系統(tǒng)來實(shí)時(shí)補(bǔ)償功率差額。本文研究重點(diǎn)在于并網(wǎng)逆變器控制，故不考慮儲(chǔ)能容量配置、儲(chǔ)能器件充放電控制策略等，僅考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)容量能夠滿足調(diào)度需求的情況。調(diào)度功率并網(wǎng)模式逆變器控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 調(diào)度功率并網(wǎng)模式逆變器控制框圖Fig.5 Control diagram of inverter in scheduling power to grid mode
調(diào)度功率并網(wǎng)模式下，逆變器輸出電流跟隨調(diào)度指令的要求實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。Pref、Qref分別為有功和無功調(diào)度指令，根據(jù)調(diào)度指令生成逆變器輸出參考電流的幅值。電流取注入電網(wǎng)方向?yàn)檎?，有功電流參考值的相位取電網(wǎng)電壓的相位，無功電流參考值的相位取滯后電網(wǎng)電壓相位π/2 。在滑模電流控制作用下，逆變器實(shí)際輸出的電流跟蹤參考電流，從而使逆變器輸出功率跟蹤功率調(diào)度指令。
4 仿真驗(yàn)證
在MATLAB/SIMULINK 仿真平臺(tái)進(jìn)行建模仿真。光伏電池選用英利YL260P－29b 組件，采用7(串聯(lián))×6(并聯(lián))的形式組成光伏陣列后參數(shù)為:Tref=25 ℃，Sref=1 000 W/m2，Uoc=263.9 V，Isc=54.54 A，Um=212.1 V，Im=51.54 A。采用電導(dǎo)增量算法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。逆變器的額定容量為12 kVA，輸出濾波電感Lf=4 mH，濾波電容Cf=10 uF，功率開關(guān)器件選擇絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)，開關(guān)頻率設(shè)為10 kHz。離網(wǎng)模式滑模面系數(shù)C1=3 000，指數(shù)趨近律系數(shù)ε1= 5，k1= 3 500 ;并網(wǎng)模式滑模面系數(shù)C2=3 000，指數(shù)趨近律系數(shù)ε2= 5，k2=5 000 。
4.1 離網(wǎng)模式仿真
為驗(yàn)證離網(wǎng)運(yùn)行模式下逆變器滑模電壓控制策略的有效性，進(jìn)行下面的仿真分析。
設(shè)定直流母線電壓在400 V，上下波動(dòng)范圍為±20%，即變化范圍為320～480 V 直流母線電壓波動(dòng)情況如圖6所示。
0.1 s 負(fù)載由5 Ω 電阻負(fù)載突變?yōu)? +j15.7 Ω 阻感負(fù)載，負(fù)載的電壓電流情況如圖7所示。
圖6 光伏系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行設(shè)定直流母線電壓波動(dòng)情況Fig.6 DC bus voltage fluctuations when PV system is standalone
圖7 光伏系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行負(fù)載突變過程中負(fù)載電壓電流Fig.7 Load voltage and current situation in load mutation process when PV system is stand-alone
由圖7 可見，在直流側(cè)電壓擾動(dòng)情況下負(fù)載由電阻負(fù)載突變?yōu)樽韪胸?fù)載過程中負(fù)載電能質(zhì)量良好。傅里葉諧波分析可得負(fù)載電流總諧波畸變率THD=0.92%，電能質(zhì)量滿足要求。
圖8 光伏系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行輸出用戶需要的負(fù)載電壓Fig.8 Inverter output voltage to meet the needs of users when PV systems is stand-alone
由圖8 可見，依據(jù)用戶的需要選擇合適的參考電壓形式后，在滑模電壓控制作用下逆變器的輸出電壓能夠完全跟蹤參考電壓，滿足用戶個(gè)性化的電能需求。
4.2 自然功率并網(wǎng)模式仿真
為驗(yàn)證無儲(chǔ)能裝置情況下，即光伏發(fā)電系統(tǒng)在自然功率并網(wǎng)模式下，逆變器滑模電流控制策略的有效性，進(jìn)行下面的仿真分析。
設(shè)光照強(qiáng)度變化如圖9所示。
圖9 光照強(qiáng)度變化情況Fig.9 Changes of light intensity
光照強(qiáng)度變化過程中，最大功率跟蹤裝置實(shí)時(shí)跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)，因此光伏電池的輸出功率隨著光照強(qiáng)度的變化實(shí)時(shí)變化。自然功率并網(wǎng)模式下逆變器通過穩(wěn)定直流側(cè)電壓實(shí)現(xiàn)輸入輸出能量實(shí)時(shí)平衡。經(jīng)逆變器電壓外環(huán)控制調(diào)節(jié)作用，逆變器直流側(cè)電壓如圖10所示，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)功率如圖11所示。
圖10 逆變器直流側(cè)電壓Fig.10 DC voltage of inverter
圖11 自然功率并網(wǎng)模式下光伏系統(tǒng)并網(wǎng)功率Fig.11 Natural power from PV system to grid
由圖10 可見，光照強(qiáng)度變化后經(jīng)過較短的暫態(tài)調(diào)節(jié)過程，直流電壓基本穩(wěn)定于設(shè)定值400 V。由圖11 可見，在光照強(qiáng)度變化后，逆變器控制系統(tǒng)作用下光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠迅速調(diào)整并網(wǎng)功率，實(shí)現(xiàn)自然功率并網(wǎng)。
自然功率并網(wǎng)模式下光照強(qiáng)度發(fā)生變化，光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)電流也相應(yīng)變化，光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)電流及其傅里葉諧波分析結(jié)果如圖12所示。由圖12 可見，光照強(qiáng)度變化后并網(wǎng)電流能夠迅速調(diào)整達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。傅里葉諧波分析結(jié)果得到并網(wǎng)電流總諧波畸變率THD=1.70%，電能質(zhì)量滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。
圖12 自然并網(wǎng)模式下并網(wǎng)電流及其傅里葉分析Fig.12 Current and it’s Fourier analysis in natural mode
4.3 調(diào)度功率并網(wǎng)模式仿真
為驗(yàn)證有足夠儲(chǔ)能容量的可調(diào)度型光伏發(fā)電系統(tǒng)在調(diào)度功率并網(wǎng)模式下，逆變器滑模電流控制策略的有效性，進(jìn)行下面仿真分析。
由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制作用，逆變器直流側(cè)電壓不會(huì)有非常巨大的波動(dòng)。因此仿真中用一個(gè)電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的直流電源等效替代逆變器前端設(shè)備。仿真中設(shè)定直流電壓400 V 波動(dòng)范圍為±10%，即360～440 V。直流電壓波動(dòng)情況如圖13所示。
圖13 調(diào)度并網(wǎng)模式下設(shè)定直流母線電壓波動(dòng)情況Fig.13 DC bus voltage fluctuations in scheduling mode
調(diào)度功率并網(wǎng)模式下，有功功率的調(diào)度指令及逆變器實(shí)際輸出有功功率如圖14(a)所示，無功功率調(diào)度指令及逆變器實(shí)際輸出無功功率如圖14(b)所示，其中虛線表示調(diào)度指令，實(shí)線表示光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際并網(wǎng)功率。
圖14 功率調(diào)度及跟蹤情況Fig.14 Power scheduling and tracking
由圖14 可見，功率調(diào)度指令發(fā)生變化后，在逆變器滑模電流控制作用下光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)功率迅速調(diào)整，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，無穩(wěn)態(tài)誤差，并網(wǎng)功率跟蹤調(diào)度指令能力良好。對(duì)比(a)、(b)兩圖可見，有功和無功的調(diào)度與跟蹤相互獨(dú)立互不影響，實(shí)現(xiàn)了有功無功的解耦控制。
調(diào)度功率并網(wǎng)模式下，逆變器輸出的并網(wǎng)電流及其傅里葉諧波分析結(jié)果如圖15所示。
圖15 調(diào)度并網(wǎng)模式下并網(wǎng)電流及傅里葉諧波分析Fig.15 Current and it's Fourier analysis in scheduling mode
由圖15 可見，在直流母線電壓發(fā)生擾動(dòng)情況下，調(diào)度指令發(fā)生變化時(shí)，并網(wǎng)電流能夠迅速調(diào)整，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，無超調(diào)無沖擊，并網(wǎng)電流總諧波畸變率THD=0.81%，滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，并網(wǎng)電能質(zhì)量良好。
5 結(jié)論
本文基于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了光伏系統(tǒng)在離網(wǎng)運(yùn)行、無儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)并網(wǎng)運(yùn)行、有儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)并網(wǎng)運(yùn)行三種典型運(yùn)行方式時(shí)相應(yīng)的逆變器滑?？刂品桨浮９夥到y(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可以保證用戶負(fù)載電能質(zhì)量;無儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可以將光伏系統(tǒng)發(fā)出的功率實(shí)時(shí)送入電網(wǎng);有儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可以使光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)功率跟蹤調(diào)度指令的實(shí)時(shí)要求、參與電網(wǎng)調(diào)度。仿真結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的光伏逆變器控制方案具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)、控制精度高、動(dòng)態(tài)特性好、對(duì)直流電壓等擾動(dòng)不敏感等優(yōu)良特性，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。
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李清然，張建成
(華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071003)
0 引言
隨著光伏發(fā)電設(shè)備成本降低及國(guó)家政策的激勵(lì)，分布式光伏發(fā)電的滲透率不斷增加。逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其性能優(yōu)劣直接影響輸出電能的質(zhì)量，逆變器的控制技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)［1－2］。
常用的逆變器控制策略有PI 控制［3］、比例諧振控制［4－7］、重復(fù)控制［8－10］、無差拍控制［11－13］等。PI 控制簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但控制精度較差，加入電網(wǎng)電壓前饋［14－15］后可以減小輸出電流的穩(wěn)態(tài)誤差，但不能改善輸入電壓擾動(dòng)等因素引起的輸出電能質(zhì)量問題;比例諧振控制可以消除穩(wěn)態(tài)誤差但同時(shí)存在帶寬限制問題;重復(fù)控制對(duì)于周期性擾動(dòng)有良好校正作用，但其對(duì)于非周期性擾動(dòng)效果較差;無差拍控制動(dòng)態(tài)性能好，但需要預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的期望電流值，對(duì)運(yùn)算速度和系統(tǒng)模型精確性的要求較高，控制精度和魯棒性能受預(yù)測(cè)算法影響很大。
目前光伏系統(tǒng)中逆變器的控制方法研究多集中于逆變器本身控制而沒有與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、逆變器前級(jí)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)運(yùn)行方式及控制目標(biāo)等因素相結(jié)合。另外，隨著分布式光伏電源滲透率的增加，分布式光伏參與電網(wǎng)調(diào)度、調(diào)峰、功率支持等問題也成為主動(dòng)配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，目前這方面的研究也比較少。
本文分析了光伏系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)和離網(wǎng)運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行兩種主要運(yùn)行方式，并根據(jù)是否配備充足儲(chǔ)能裝置及參與電網(wǎng)調(diào)度，將并網(wǎng)運(yùn)行方式分為自然功率并網(wǎng)及調(diào)度功率并網(wǎng)。針對(duì)不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，提出不同控制目標(biāo)及相應(yīng)的逆變器控制策略?；？刂凭哂辛己玫淖赃m應(yīng)性和魯棒性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、對(duì)參數(shù)及擾動(dòng)不敏感、簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)良特性［16－17］。因此本文選用滑?？刂茖?shí)現(xiàn)不同運(yùn)行方式下逆變器控制方案，保證了輸入電壓擾動(dòng)時(shí)逆變器輸出電能的質(zhì)量。詳細(xì)分析了不同運(yùn)行方式下逆變器滑模變結(jié)構(gòu)控制方案的具體設(shè)計(jì)過程，并且在MATLAB/SIMULINK 仿真平臺(tái)對(duì)各種運(yùn)行方式及控制策略進(jìn)行仿真分析。
1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式
1.1 系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)
分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、Boost 變換器、直流母線、儲(chǔ)能系統(tǒng)、直流負(fù)載、逆變器、交流負(fù)載等部分構(gòu)成。典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
光伏陣列經(jīng)過Boost 變換器接入直流母線，Boost 電路除具有升壓功能，使光伏電池輸出電壓與直流母線電壓匹配外，還具有最大功率跟蹤功能，使光伏電池的效率最大化。在配備有儲(chǔ)能系統(tǒng)的分布式光伏系統(tǒng)中，儲(chǔ)能裝置經(jīng)雙向DC/DC變換器接入直流母線，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。雙向DC/DC 變換器使儲(chǔ)能器件之間的相互配合及與直流母線電壓的匹配更加靈活。超級(jí)電容器等功率密度型儲(chǔ)能器件與蓄電池等能量密度型儲(chǔ)能器件相互配合的混合儲(chǔ)能裝置在平抑功率波動(dòng)、提升電能質(zhì)量等方面具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)［18－20］。直流母線實(shí)現(xiàn)能量匯集，供給直流負(fù)載，并經(jīng)過逆變器與大電網(wǎng)相連。本地交流負(fù)載可以由光伏發(fā)電系統(tǒng)供電或者由電網(wǎng)供電。
圖1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Typical structure of distributed photovoltaic system
1.2 系統(tǒng)運(yùn)行方式
當(dāng)電網(wǎng)故障或者用戶需要不同于市電的電能形式時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行，本地的交流負(fù)載由光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變系統(tǒng)供電。當(dāng)用戶需要并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，如果光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有配備儲(chǔ)能裝置或者儲(chǔ)能裝置退出運(yùn)行，則逆變系統(tǒng)將光伏輸出的最大功率在滿足用戶需要后剩余的電能實(shí)時(shí)送入交流電網(wǎng);如果光伏發(fā)電系統(tǒng)配備有儲(chǔ)能系統(tǒng)，逆變系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令，向電網(wǎng)注入或者從電網(wǎng)吸收調(diào)度要求的定量有功和無功功率。
2 離網(wǎng)運(yùn)行模式
對(duì)于容量不大的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，多采用單相逆變器與電網(wǎng)相連，因此本文依托單相全橋逆變器展開研究。光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行模式下，以保證負(fù)載電能質(zhì)量為目標(biāo)，逆變器采用滑模電壓控制策略。逆變器控制為電壓源，控制逆變器的輸出濾波電容電壓。光伏系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行模式下逆變器控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖中:Udc為逆變器直流側(cè)輸入電壓即直流母線電壓;Lf與Cf分別表示逆變器的輸出濾波電感和濾波電容;uc為濾波電容兩端的電壓;ucref為濾波電容兩端電壓參考值;Rload為本地負(fù)載。
為獲得良好的抗負(fù)載擾動(dòng)特性，取輸出濾波電容兩端電壓uc及其導(dǎo)數(shù)作為狀態(tài)變量，建立狀態(tài)方程:
圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行逆變器控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Inverter control structure when PV system is stand-alone
式中:u 表示開關(guān)器件的工作狀態(tài)。
以狀態(tài)偏差量建立滑模面函數(shù):
式中:c1為滑模面系數(shù)。
采用指數(shù)趨近律縮短到達(dá)滑模面的時(shí)間:
式中:sgn(s)為符號(hào)函數(shù);ε1和k1為指數(shù)趨近律待定系數(shù)。k1能保證當(dāng)s 較大時(shí)系統(tǒng)以較大的速度趨近滑動(dòng)模態(tài)，ε1使得當(dāng)s 接近0 時(shí)，趨近速度不是0，保證系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)滑動(dòng)模態(tài)。通過選擇合理的ε1和k1(ε1＞0 且ε1很小，k1＞0 且k1適當(dāng)大)可以保證快速趨近并削弱抖振現(xiàn)象。
聯(lián)立式(1)～(4)得到等效占空比:
取Lyapunov 函數(shù)進(jìn)行滑模存在性和系統(tǒng)穩(wěn)定性證明，
對(duì)Lyapunov 函數(shù)求導(dǎo)，
在離網(wǎng)運(yùn)行模式下，參考電壓ucref可以依據(jù)用戶的需要選取合適的形式。在上述滑模電壓控制作用下，逆變器的輸出電壓自動(dòng)跟蹤參考電壓從而使逆變器輸出用戶需要的電能形式，滿足用戶個(gè)性化電能需求。
3 并網(wǎng)運(yùn)行模式
光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行模式下，為獲得較好的動(dòng)態(tài)性能，逆變器控制為電流源，采用滑模電流控制策略，控制逆變器輸出電流。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行模式逆變器控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行逆變器控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Inverter control structure when PV system is grid-connected
其中:iL為并網(wǎng)電流;iLref為逆變器并網(wǎng)電流參考值;us為電網(wǎng)電壓。由圖3 可得方程如下:
式中:u 與2 中相同，表示開關(guān)器件的工作狀態(tài)。以狀態(tài)偏差量建立滑模面函數(shù):
式中:c2為滑模面系數(shù)。
與2 中相同，采用指數(shù)趨近律，縮短到達(dá)滑模面的時(shí)間，ε2和k2為指數(shù)趨近律待定系數(shù)，取值原則與2 中相同。
聯(lián)立式(8)～(10)并化簡(jiǎn)得到等效占空比:
滑模存在性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的證明與2 中相同，此處不再贅述。
并網(wǎng)運(yùn)行模式下，根據(jù)是否配備儲(chǔ)能系統(tǒng)并參與電網(wǎng)調(diào)度，將并網(wǎng)模式分為自然功率并網(wǎng)和調(diào)度功率并網(wǎng)，二者的參考電流生成方式不同。在電力市場(chǎng)環(huán)境下，調(diào)度并網(wǎng)模式光伏系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)了電網(wǎng)需求，維護(hù)了電網(wǎng)的穩(wěn)定，并網(wǎng)電價(jià)應(yīng)高于自然并網(wǎng)模式。
3.1 自然功率并網(wǎng)
分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于光強(qiáng)、溫度等自然因素影響，光伏陣列輸出的最大功率具有隨機(jī)性與波動(dòng)性。在無儲(chǔ)能裝置的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，采用自然功率并網(wǎng)，即將光伏陣列輸出功率實(shí)時(shí)并網(wǎng)。
自然功率并網(wǎng)模式下，逆變器輸出電流需要跟隨光伏電池輸出的功率實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。自然功率并網(wǎng)模式逆變器控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 自然功率并網(wǎng)模式逆變器控制框圖Fig.4 Control diagram of inverter in natural power to grid mode
逆變器采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。外環(huán)通過穩(wěn)定直流電壓Udc實(shí)現(xiàn)逆變器輸入輸出能量的平衡?？刂葡到y(tǒng)采集逆變器直流側(cè)電壓Udc與直流電壓參考值Udcref進(jìn)行比較，電壓偏差量經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)生成內(nèi)環(huán)參考電流的幅值。通過檢測(cè)電網(wǎng)電壓相位θ 作為內(nèi)環(huán)電流參考值的相位，以實(shí)現(xiàn)逆變器單位功率因數(shù)并網(wǎng)。電流內(nèi)環(huán)采用滑模電流控制，可以使內(nèi)環(huán)電流迅速跟蹤電流參考值，動(dòng)態(tài)性能良好。
3.2 調(diào)度功率并網(wǎng)
與自然功率并網(wǎng)不同，調(diào)度功率并網(wǎng)要求逆變器輸出的功率跟隨調(diào)度指令變化。由于光伏電池輸出功率受環(huán)境等因素影響具有隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性，調(diào)度指令與光伏電池輸出功率間必然存在差額，因此能夠參與調(diào)度的光伏系統(tǒng)必須配備儲(chǔ)能系統(tǒng)來實(shí)時(shí)補(bǔ)償功率差額。本文研究重點(diǎn)在于并網(wǎng)逆變器控制，故不考慮儲(chǔ)能容量配置、儲(chǔ)能器件充放電控制策略等，僅考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)容量能夠滿足調(diào)度需求的情況。調(diào)度功率并網(wǎng)模式逆變器控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 調(diào)度功率并網(wǎng)模式逆變器控制框圖Fig.5 Control diagram of inverter in scheduling power to grid mode
調(diào)度功率并網(wǎng)模式下，逆變器輸出電流跟隨調(diào)度指令的要求實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。Pref、Qref分別為有功和無功調(diào)度指令，根據(jù)調(diào)度指令生成逆變器輸出參考電流的幅值。電流取注入電網(wǎng)方向?yàn)檎?，有功電流參考值的相位取電網(wǎng)電壓的相位，無功電流參考值的相位取滯后電網(wǎng)電壓相位π/2 。在滑模電流控制作用下，逆變器實(shí)際輸出的電流跟蹤參考電流，從而使逆變器輸出功率跟蹤功率調(diào)度指令。
4 仿真驗(yàn)證
在MATLAB/SIMULINK 仿真平臺(tái)進(jìn)行建模仿真。光伏電池選用英利YL260P－29b 組件，采用7(串聯(lián))×6(并聯(lián))的形式組成光伏陣列后參數(shù)為:Tref=25 ℃，Sref=1 000 W/m2，Uoc=263.9 V，Isc=54.54 A，Um=212.1 V，Im=51.54 A。采用電導(dǎo)增量算法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。逆變器的額定容量為12 kVA，輸出濾波電感Lf=4 mH，濾波電容Cf=10 uF，功率開關(guān)器件選擇絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)，開關(guān)頻率設(shè)為10 kHz。離網(wǎng)模式滑模面系數(shù)C1=3 000，指數(shù)趨近律系數(shù)ε1= 5，k1= 3 500 ;并網(wǎng)模式滑模面系數(shù)C2=3 000，指數(shù)趨近律系數(shù)ε2= 5，k2=5 000 。
4.1 離網(wǎng)模式仿真
為驗(yàn)證離網(wǎng)運(yùn)行模式下逆變器滑模電壓控制策略的有效性，進(jìn)行下面的仿真分析。
設(shè)定直流母線電壓在400 V，上下波動(dòng)范圍為±20%，即變化范圍為320～480 V 直流母線電壓波動(dòng)情況如圖6所示。
0.1 s 負(fù)載由5 Ω 電阻負(fù)載突變?yōu)? +j15.7 Ω 阻感負(fù)載，負(fù)載的電壓電流情況如圖7所示。
圖6 光伏系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行設(shè)定直流母線電壓波動(dòng)情況Fig.6 DC bus voltage fluctuations when PV system is standalone
圖7 光伏系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行負(fù)載突變過程中負(fù)載電壓電流Fig.7 Load voltage and current situation in load mutation process when PV system is stand-alone
由圖7 可見，在直流側(cè)電壓擾動(dòng)情況下負(fù)載由電阻負(fù)載突變?yōu)樽韪胸?fù)載過程中負(fù)載電能質(zhì)量良好。傅里葉諧波分析可得負(fù)載電流總諧波畸變率THD=0.92%，電能質(zhì)量滿足要求。
圖8 光伏系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行輸出用戶需要的負(fù)載電壓Fig.8 Inverter output voltage to meet the needs of users when PV systems is stand-alone
由圖8 可見，依據(jù)用戶的需要選擇合適的參考電壓形式后，在滑模電壓控制作用下逆變器的輸出電壓能夠完全跟蹤參考電壓，滿足用戶個(gè)性化的電能需求。
4.2 自然功率并網(wǎng)模式仿真
為驗(yàn)證無儲(chǔ)能裝置情況下，即光伏發(fā)電系統(tǒng)在自然功率并網(wǎng)模式下，逆變器滑模電流控制策略的有效性，進(jìn)行下面的仿真分析。
設(shè)光照強(qiáng)度變化如圖9所示。
圖9 光照強(qiáng)度變化情況Fig.9 Changes of light intensity
光照強(qiáng)度變化過程中，最大功率跟蹤裝置實(shí)時(shí)跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)，因此光伏電池的輸出功率隨著光照強(qiáng)度的變化實(shí)時(shí)變化。自然功率并網(wǎng)模式下逆變器通過穩(wěn)定直流側(cè)電壓實(shí)現(xiàn)輸入輸出能量實(shí)時(shí)平衡。經(jīng)逆變器電壓外環(huán)控制調(diào)節(jié)作用，逆變器直流側(cè)電壓如圖10所示，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)功率如圖11所示。
圖10 逆變器直流側(cè)電壓Fig.10 DC voltage of inverter
圖11 自然功率并網(wǎng)模式下光伏系統(tǒng)并網(wǎng)功率Fig.11 Natural power from PV system to grid
由圖10 可見，光照強(qiáng)度變化后經(jīng)過較短的暫態(tài)調(diào)節(jié)過程，直流電壓基本穩(wěn)定于設(shè)定值400 V。由圖11 可見，在光照強(qiáng)度變化后，逆變器控制系統(tǒng)作用下光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠迅速調(diào)整并網(wǎng)功率，實(shí)現(xiàn)自然功率并網(wǎng)。
自然功率并網(wǎng)模式下光照強(qiáng)度發(fā)生變化，光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)電流也相應(yīng)變化，光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)電流及其傅里葉諧波分析結(jié)果如圖12所示。由圖12 可見，光照強(qiáng)度變化后并網(wǎng)電流能夠迅速調(diào)整達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。傅里葉諧波分析結(jié)果得到并網(wǎng)電流總諧波畸變率THD=1.70%，電能質(zhì)量滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。
圖12 自然并網(wǎng)模式下并網(wǎng)電流及其傅里葉分析Fig.12 Current and it’s Fourier analysis in natural mode
4.3 調(diào)度功率并網(wǎng)模式仿真
為驗(yàn)證有足夠儲(chǔ)能容量的可調(diào)度型光伏發(fā)電系統(tǒng)在調(diào)度功率并網(wǎng)模式下，逆變器滑模電流控制策略的有效性，進(jìn)行下面仿真分析。
由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制作用，逆變器直流側(cè)電壓不會(huì)有非常巨大的波動(dòng)。因此仿真中用一個(gè)電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的直流電源等效替代逆變器前端設(shè)備。仿真中設(shè)定直流電壓400 V 波動(dòng)范圍為±10%，即360～440 V。直流電壓波動(dòng)情況如圖13所示。
圖13 調(diào)度并網(wǎng)模式下設(shè)定直流母線電壓波動(dòng)情況Fig.13 DC bus voltage fluctuations in scheduling mode
調(diào)度功率并網(wǎng)模式下，有功功率的調(diào)度指令及逆變器實(shí)際輸出有功功率如圖14(a)所示，無功功率調(diào)度指令及逆變器實(shí)際輸出無功功率如圖14(b)所示，其中虛線表示調(diào)度指令，實(shí)線表示光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際并網(wǎng)功率。
圖14 功率調(diào)度及跟蹤情況Fig.14 Power scheduling and tracking
由圖14 可見，功率調(diào)度指令發(fā)生變化后，在逆變器滑模電流控制作用下光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)功率迅速調(diào)整，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，無穩(wěn)態(tài)誤差，并網(wǎng)功率跟蹤調(diào)度指令能力良好。對(duì)比(a)、(b)兩圖可見，有功和無功的調(diào)度與跟蹤相互獨(dú)立互不影響，實(shí)現(xiàn)了有功無功的解耦控制。
調(diào)度功率并網(wǎng)模式下，逆變器輸出的并網(wǎng)電流及其傅里葉諧波分析結(jié)果如圖15所示。
圖15 調(diào)度并網(wǎng)模式下并網(wǎng)電流及傅里葉諧波分析Fig.15 Current and it's Fourier analysis in scheduling mode
由圖15 可見，在直流母線電壓發(fā)生擾動(dòng)情況下，調(diào)度指令發(fā)生變化時(shí)，并網(wǎng)電流能夠迅速調(diào)整，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，無超調(diào)無沖擊，并網(wǎng)電流總諧波畸變率THD=0.81%，滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，并網(wǎng)電能質(zhì)量良好。
5 結(jié)論
本文基于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了光伏系統(tǒng)在離網(wǎng)運(yùn)行、無儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)并網(wǎng)運(yùn)行、有儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)并網(wǎng)運(yùn)行三種典型運(yùn)行方式時(shí)相應(yīng)的逆變器滑?？刂品桨浮９夥到y(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可以保證用戶負(fù)載電能質(zhì)量;無儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可以將光伏系統(tǒng)發(fā)出的功率實(shí)時(shí)送入電網(wǎng);有儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可以使光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)功率跟蹤調(diào)度指令的實(shí)時(shí)要求、參與電網(wǎng)調(diào)度。仿真結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的光伏逆變器控制方案具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)、控制精度高、動(dòng)態(tài)特性好、對(duì)直流電壓等擾動(dòng)不敏感等優(yōu)良特性，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。
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