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(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004；3.遼寧省電力有限公司技能培訓(xùn)中心，遼寧 錦州 121000）

0 引言

開發(fā)利用可再生能源是解決能源與環(huán)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(yōu)點。光伏發(fā)電是太陽能開發(fā)利用的一種重要方式，近年來受到了世界各國的普遍關(guān)注，但光伏發(fā)電系統(tǒng)易受環(huán)境條件影響，其源端功率輸出呈現(xiàn)一定的不確定性，不利于實現(xiàn)源、網(wǎng)、荷功率匹配與系統(tǒng)穩(wěn)定控制[1]～[3]。典型的兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通常利用前級DC/DC變換裝置將光伏源端輸出電壓轉(zhuǎn)換為相對穩(wěn)定的直流電壓輸出，然后再經(jīng)過后級DC/AC環(huán)節(jié)并入公共電網(wǎng)[4]，[5]。作為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)互連的關(guān)鍵接口裝置，并網(wǎng)逆變器及其控制策略直接決定了系統(tǒng)并網(wǎng)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(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是十分重要的[6]～[9]。

常見的光伏并網(wǎng)逆變器控制策略主要包括PID控制、電壓電流雙環(huán)控制、重復(fù)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(xiàn)出傳統(tǒng)同步發(fā)電機所具備的旋轉(zhuǎn)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(fā)電系統(tǒng)配備一定容量的儲能裝置，從而提高了系統(tǒng)的初次投資與運行維護費用，制約其進一步的推廣應(yīng)用。目前，基于電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制仍是高性能光伏逆變電源運行控制策略的發(fā)展方向之一[15]～[17]。該控制方案的具體實施不受系統(tǒng)儲能容量影響。典型的電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)普遍采用濾波電感電流控制，基于該控制策略的光伏并網(wǎng)逆變器雖然具有較快的動態(tài)響應(yīng)速度與較強的負(fù)載能力，但其控制效果易受電網(wǎng)電壓波動的影響。

針對基于電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略存在的缺陷，本文提出一種改進的光伏并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)控制策略。外環(huán)是以控制直流母線電壓穩(wěn)定為目的的直流電壓控制環(huán)節(jié)；內(nèi)環(huán)在實施濾波電感電流控制的基礎(chǔ)之上引入了電網(wǎng)電壓前饋補償環(huán)節(jié)，提出一種電感電流實時反饋與電網(wǎng)電壓前饋補償?shù)膹?fù)合控制方式，以此抑制電網(wǎng)電壓波動給系統(tǒng)帶來的擾動。相關(guān)實驗結(jié)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(xiàn)一定的不確定性，當(dāng)光伏電池受光照射時，其輸出電流以指數(shù)規(guī)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(lián)等效電阻Rs、并聯(lián)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(shù)和電壓變化溫度系數(shù)；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(shù)對光伏源端實時輸出特性進行分析。設(shè)定光伏電池相關(guān)參數(shù)：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(dāng)環(huán)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(wǎng)逆變器的雙閉環(huán)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(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)前級DC/DC環(huán)節(jié)通常采用MPPT控制，以提高系統(tǒng)發(fā)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(shù)發(fā)展得較為成熟。本文以應(yīng)用最為廣泛的經(jīng)典擾動觀察法作為兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)前級DC/DC環(huán)節(jié)控制策略，后級DC/AC環(huán)節(jié)采用一種基于電網(wǎng)電壓前饋補償?shù)母倪M雙閉環(huán)控制策略對并網(wǎng)逆變器實施控制。

2.1 直流電壓外環(huán)控制

直流電壓外環(huán)控制可通過控制逆變器并網(wǎng)輸送功率來實現(xiàn)直流母線電壓調(diào)節(jié)，達(dá)到維持并網(wǎng)逆變器直流母線電壓恒定的控制效果，實現(xiàn)能量的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換。由系統(tǒng)功率守恒可得：

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

外環(huán)控制的目標(biāo)為直流母線電壓準(zhǔn)確跟蹤參考電壓Uref保持恒定。當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)調(diào)度功率需求小于光伏源端供給功率時，直流穩(wěn)壓電容充電，存儲部分盈余能量，直流母線電壓上升；當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)調(diào)度功率需求大于光伏源端供給功率時，直流穩(wěn)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(wěn)壓電容的電壓就可以達(dá)到控制光伏電池供給功率與并網(wǎng)調(diào)度功率需求的相互平衡。

電壓外環(huán)采取比例積分（PI）控制，經(jīng)過比例調(diào)節(jié)與濾波環(huán)節(jié)，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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)的參考電流。

2.2 電感濾波電流內(nèi)環(huán)控制

圖4為依據(jù)SPWM控制基本原理所作的光伏并網(wǎng)逆變器控制框圖。將給定的并網(wǎng)電流指令值與光伏并網(wǎng)逆變器輸出電流實時檢測值之差經(jīng)過比例積分（PI）控制環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)后，再與三角載波進行比較，并向并網(wǎng)逆變器的電力電子開關(guān)器件送出觸發(fā)脈沖。

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

3 電網(wǎng)電壓前饋補償控制環(huán)節(jié)的引入

基于上述光伏并網(wǎng)發(fā)電控制思路，SPWM觸發(fā)脈沖將并網(wǎng)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(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后得到其偏差。利用SPWM觸發(fā)信號控制電力電子開關(guān)器件的開通與關(guān)斷，即可實現(xiàn)光伏并網(wǎng)逆變器輸出電流準(zhǔn)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(dāng)電網(wǎng)電壓幅值很高時，其波動對光伏逆變器并網(wǎng)控制系統(tǒng)擾動明顯，其作用不容忽略。為避免電網(wǎng)電壓波動對逆變器并網(wǎng)控制的不良影響，可在電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)中引入電網(wǎng)電壓前饋補償環(huán)節(jié)。

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

圖5 具有電網(wǎng)電壓前饋閉環(huán)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(wǎng)電壓前饋補償措施之后，并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)抑制電網(wǎng)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(wǎng)發(fā)電控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(shù)字存儲示波器組成。前級DC/DC環(huán)節(jié)主電路采用典型的Boost升壓電路，利用經(jīng)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(huán)節(jié)主電路為全橋逆變電路，采用本文所提出的基于電網(wǎng)電壓前饋補償?shù)碾p閉環(huán)控制策略對光伏并網(wǎng)逆變器實施控制，將其輸出的交流電并入工頻電網(wǎng)。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(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)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(lián)數(shù)）為例，對光伏陣列表面光照強度發(fā)生變化的典型工況條件下的光伏發(fā)電系統(tǒng)控制效果進行實時仿真實驗分析。光伏陣列參數(shù)如表1所示。

表1 光伏陣列參數(shù)設(shè)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(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)輸出特性如圖7～10所示。

圖7為光照強度發(fā)生變化時逆變器的直流母線電壓。由圖7可見，在系統(tǒng)啟動及光照強度發(fā)生變化過程中，0.1 s左右即可完成前級MPPT控制。當(dāng)光照強度突然發(fā)生變化時，直流母線電壓經(jīng)短暫的波動后，仍然能夠維持在500 V以上，系統(tǒng)在滿足動態(tài)響應(yīng)要求的基礎(chǔ)上,保證了直流母線電壓的持續(xù)穩(wěn)定。

圖7 光照強度發(fā)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(fā)生變化前后并網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流波形如圖8所示。由圖8可見，當(dāng)外界光照強度突然變化時，由于電網(wǎng)電壓的鉗制作用，并網(wǎng)逆變器的輸出電壓基本維持恒定。在經(jīng)過0.05 s的瞬時波動后，并網(wǎng)電流能夠迅速趨于穩(wěn)定值，且滿足相位與頻率要求。

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

當(dāng)光照強度發(fā)生變化時，并網(wǎng)有功功率與無功功率波形如圖9所示。由圖9可見，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率經(jīng)過短暫的波動后迅速趨于穩(wěn)定。在逆變器并網(wǎng)運行的起始階段，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)換流裝置須從電網(wǎng)吸收一定的無功功率，因此在其暫態(tài)過程中會產(chǎn)生比較明顯的無功功率波動。大約經(jīng)過0.1 s的動態(tài)調(diào)整之后，無功功率趨于穩(wěn)定，并且恒定為0，表明并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有良好的運行穩(wěn)定性。

圖9 光照強度發(fā)生變化時并網(wǎng)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(fā)生變化時，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)頻率波形如圖10所示。由圖10可見，系統(tǒng)頻率波動在±0.1 Hz以內(nèi)，頻率質(zhì)量優(yōu)良，滿足電力系統(tǒng)電能質(zhì)量要求。

圖10 光照強度發(fā)生變化時光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)頻率Fig.10 The frequency of the system when solar radiation intensity changes

5 結(jié)束語

根據(jù)本文提出的基于電網(wǎng)電壓前饋補償?shù)墓夥⒕W(wǎng)逆變器雙閉環(huán)控制策略，設(shè)計了光伏并網(wǎng)逆變器運行控制系統(tǒng)。以典型的兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為控制對象，前級DC/DC環(huán)節(jié)采用經(jīng)典的擾動觀察法作為MPPT控制策略，后級DC/AC環(huán)節(jié)采用本文所提出的雙閉環(huán)控制策略實施并網(wǎng)控制。實驗結(jié)果表明，采用本文所提出的改進雙閉環(huán)控制策略，當(dāng)光照強度發(fā)生變化時，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行狀態(tài)良好，驗證了所提出控制策略的正確性與有效性。