趙建榮，王林，張海龍，李瑞生

（1.西安許繼電力電子技術(shù)有限公司，陜西 西安 710077；2.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

基于偏差控制的兩級(jí)式光伏系統(tǒng)有功調(diào)度策略

趙建榮1，王林1，張海龍1，李瑞生2

（1.西安許繼電力電子技術(shù)有限公司，陜西 西安 710077；2.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

針對(duì)兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)，提出一種新型的有功調(diào)度控制策略，可以實(shí)現(xiàn)兩級(jí)式光伏逆變器有功功率的快速平滑調(diào)度:正常運(yùn)行時(shí)，前級(jí)升壓斬波電路（Boost）進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），后級(jí)逆變器負(fù)責(zé)母線電壓的控制；當(dāng)有功調(diào)度指令下發(fā)時(shí)，逆變器放棄母線電壓控制權(quán)，去控制輸出功率下降到調(diào)度值，此時(shí)母線電壓會(huì)升高，Boost電路則由MPPT控制轉(zhuǎn)入母線電壓控制，兩級(jí)控制互不干擾，無縫切換。詳述了該控制策略，并通過仿真和試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果驗(yàn)證此控制策略的可行性。

兩級(jí)式光伏系統(tǒng)；有功調(diào)度；電壓偏差控制；最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）

光伏電站在并入電網(wǎng)后，需要根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度指令進(jìn)行有功調(diào)度，控制光伏逆變器的輸出功率不高于該調(diào)度指令，若光伏逆變器當(dāng)前最大輸出有功不大于該調(diào)度值，逆變器按最大功率輸出，否則需要對(duì)輸出功率進(jìn)行限制［1-2］，控制光伏電池板偏移最大功率點(diǎn)實(shí)現(xiàn)降低輸出功率。

本文設(shè)計(jì)了一種調(diào)度方法，可以實(shí)現(xiàn)快速平滑調(diào)度。當(dāng)有調(diào)度指令下發(fā)時(shí)，后級(jí)逆變器由電壓控制變?yōu)楣β士刂?，放棄直流母線的電壓控制權(quán)，轉(zhuǎn)為控制輸出功率，前級(jí)Boost電路由MPPT控制自動(dòng)轉(zhuǎn)入穩(wěn)壓控制去控制直流母線電壓，從而實(shí)現(xiàn)功率調(diào)度；當(dāng)調(diào)度指令撤銷時(shí)，前級(jí)Boost電路由穩(wěn)壓控制自動(dòng)轉(zhuǎn)入MPPT控制，后級(jí)變流器由有功調(diào)度模式轉(zhuǎn)入穩(wěn)壓模式，重新掌握母線電壓控制權(quán)。

1 控制策略

兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，后級(jí)逆變器控制直流母線電壓穩(wěn)定，前級(jí)Boost電路實(shí)現(xiàn)MPPT跟蹤［3］。當(dāng)進(jìn)行有功調(diào)度時(shí)，控制后級(jí)逆變器的輸出電流實(shí)現(xiàn)輸出功率與調(diào)度功率匹配，但是當(dāng)變流器變?yōu)楣β士刂茣r(shí)，無法控制直流母線的電壓，此時(shí)母線電壓需要交給前級(jí)Boost電路來實(shí)現(xiàn)，Boost電路需要由當(dāng)前的MPPT運(yùn)行模式無縫切換至穩(wěn)壓模式，掌握直流母線電壓的控制權(quán)；當(dāng)有功調(diào)度指令取消，前級(jí)Boost電路則需要從穩(wěn)壓運(yùn)行模式平穩(wěn)切換至MPPT模式，后級(jí)變流器由功率控制切換至電壓控制，重新掌握母線電壓的控制權(quán)。逆變器的母線電壓穩(wěn)壓設(shè)定值要低于Boost電路的母線電壓穩(wěn)壓設(shè)定值。

圖1 兩級(jí)式光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of two-stage photovoltaic inverter

1.1 前級(jí)Boost電路控制策略

Boost電路的小信號(hào)模型分析如圖2［4］所示。

圖2 Boost電路小信號(hào)模型Fig.2 Small signal model of Boost circuit

圖2 中，R為后級(jí)逆變電路的等效電阻；L為輸入電感；C為輸出電容；r為電感等效串聯(lián)阻抗；rc為電容等效串聯(lián)阻抗。忽略電阻r與rc的影響，根據(jù)上述模型，可得到電路的小信號(hào)數(shù)學(xué)模型:

式中:iL為電感電流的擾動(dòng)量；ui為輸入電壓的擾動(dòng)量；Uo為輸出電壓；uo為輸出電壓的擾動(dòng)量；D為占空比；d為占空比擾動(dòng)量。

當(dāng)輸入電壓穩(wěn)定時(shí)，電壓擾動(dòng)ui=0，代入式（1）、式（2）中，可得到電感電流對(duì)占空比的傳遞函數(shù)Gid(s)為

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在孤島狀態(tài)時(shí)，須控制Boost電路輸出電壓，需要得到輸出電壓對(duì)電感電流的傳遞函數(shù)Gui(s)，同理根據(jù)式（1）、式（2）可得:

式（3）、式（4）為Boost電路的數(shù)學(xué)模型，通過此模型，對(duì)Boost電路的控制可采用電壓電流雙環(huán)控制［5］，通過電流內(nèi)環(huán)去控制輸入電流跟隨輸入電壓，實(shí)現(xiàn)電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)，電壓外環(huán)來調(diào)節(jié)和維持輸出電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

對(duì)電壓環(huán)傳遞函數(shù)Gui(s)以及電流環(huán)傳遞函數(shù)Gid(s)的校正采用比例和積分（PI）調(diào)節(jié)器，校正式［6］如下:

式中:KP為比例環(huán)節(jié)系數(shù)；KI積分環(huán)節(jié)系數(shù)。

假設(shè)電流采樣濾波器為F(s)，開關(guān)器件的延時(shí)函數(shù)為D(s)，則校正后的電流環(huán)控制框圖如圖3所示。

圖3 電流環(huán)控制框圖Fig.3 Control diagram of current loop

通道增益為

圖4 Boost電路控制框圖Fig.4 Control diagram of boost circuit

結(jié)合波特圖，可選擇合適的PI參數(shù)；電壓環(huán)PI參數(shù)的選取過程類似。

第一，師資力量匱乏。教職員在1938年為7355人，而到了1939年則為5919人［28］76。就師資供應(yīng)而言，到1940年師范畢業(yè)生為2336人，1941年為1857人，1942年為1514人［27］13。由以上的數(shù)據(jù)可以看出，無論是教職員的數(shù)量還是師資供應(yīng)數(shù)量都存在逐年減少的情況。究其原因，物價(jià)的高漲、教員待遇較差、工資較低，既會(huì)直接造成師范生舍棄本業(yè)，又會(huì)間接使師范學(xué)校招生受到影響，從而影響師資的供應(yīng)。

Boost電路控制框圖如圖4所示。由于Boost電路需要兼顧MPPT運(yùn)行以及母線電壓穩(wěn)壓運(yùn)行，故需要2個(gè)電壓電流控制環(huán)路，1個(gè)為母線電壓電感電流環(huán)路，校正器為PI_U與PI_I；1個(gè)為MPPT電壓電感電流環(huán)路，校正器為PI_MPP與PI_I。借鑒多點(diǎn)直流電壓偏差控制策略［7-8］，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)用在Boost電路的控制中，來實(shí)現(xiàn)2種工作模式的無縫切換。

Boost電路采集電池電壓Upv與電流Ipv進(jìn)行MPPT計(jì)算，得到的電壓Upv_ref與實(shí)際電池電壓做差，差值經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器PI_MPP輸出電流控制量Imax_U，將其作為調(diào)節(jié)器PI_U的上限值。

當(dāng)母線電壓Udc小于設(shè)定值Udc_ref時(shí)，調(diào)節(jié)器PI_U的輸出一直增大到上限值Imax_U，下限值Imin_U取0，此時(shí)相當(dāng)于系統(tǒng)工作于MPPT模式，調(diào)節(jié)器PI_U輸出Iref與實(shí)際電流Ipv經(jīng)過調(diào)節(jié)器PI_I校正，輸出值即為占空比，可進(jìn)行PWM調(diào)制；當(dāng)后級(jí)逆變器限制輸出功率時(shí)，多余的能量聚積在母線，使得母線電壓升高，當(dāng)母線電壓大于Udc_ref時(shí)，電壓環(huán)調(diào)節(jié)器PI_U退出飽和，Boost電路由MPPT模式進(jìn)入穩(wěn)壓模式，將母線電壓穩(wěn)定于Udc_ref，阻止母線電壓的進(jìn)一步升高，此時(shí)系統(tǒng)工作于穩(wěn)壓模式。

當(dāng)有功調(diào)度指令取撤消，后級(jí)逆變器最大能力輸出功率，母線能量減少，電壓降低，低于Udc_ref時(shí)，調(diào)節(jié)器PI_U慢慢飽和，Boost電路進(jìn)入MPPT工作模式，后級(jí)逆變器重新掌握母線電壓的控制權(quán)。為了保證切換過程的平穩(wěn)，加入母線電壓前饋控制，其中K為母線電壓前饋系數(shù)。

1.2 后級(jí)逆變器控制策略

后級(jí)逆變器的控制框圖如圖5所示，在原有逆變器dq解耦控制策略［9］的基礎(chǔ)上加入1個(gè)功率環(huán)（虛線所示），通過開關(guān)S（調(diào)度指令）來切換運(yùn)行模式，完成有功率調(diào)度。

圖5 逆變電路控制框圖Fig.5 Control diagram of inverter

圖5中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采樣三相交流相電壓Uabc和三相交流電流Iabc，計(jì)算出當(dāng)前有功功率Pac。

為了實(shí)現(xiàn)功率平滑調(diào)度，將有功調(diào)度值Pac_set斜坡化［10］后作為輸出功率的參考值Pac_set_slope，即功率環(huán)的參考值從當(dāng)前功率以一定步長(zhǎng)慢慢降至調(diào)度功率值。

當(dāng)調(diào)度指令下發(fā)時(shí)，開關(guān)S打到下端，將功率環(huán)的校正PI調(diào)節(jié)器輸出作為電流環(huán)的參考值Id_ref，控制逆變器輸出功率逐步到達(dá)調(diào)度指令值；當(dāng)調(diào)度指令撤銷時(shí)，開關(guān)S打到上端，逆變器恢復(fù)電壓電流雙閉環(huán)控制，重新掌握直流母線電壓的控制權(quán)。

2 仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 仿真分析

在Matlab/Simulink環(huán)境下，按圖1拓?fù)浯罱▋杉?jí)式光伏并網(wǎng)逆變器的仿真模型。

仿真參數(shù)為:逆變器LCL濾波器依次為0.5mH，26 μF，0.025 mH；Boost輸入電感0.25 mH；電網(wǎng)線電壓380 V；逆變器穩(wěn)壓設(shè)定值700 V；Boost電路穩(wěn)壓設(shè)定值720 V；系統(tǒng)輸出功率50 kW。

控制策略采用圖4與圖5所描述的控制思想，仿真主要完成系統(tǒng)在MPPT運(yùn)行模式與有功調(diào)度模式之間的無縫切換，驗(yàn)證控制策略的可行性。

2.1.1 MPPT運(yùn)行模式轉(zhuǎn)有功調(diào)度模式仿真結(jié)果

MPPT運(yùn)行轉(zhuǎn)有功調(diào)度的仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 直流母線電壓和交流輸出電流波形Fig.6 The DC bus voltage waveform and The AC output current waveform

圖7 太陽能電池板輸出電壓及電流波形Fig.7 The output voltage and current waveforms of photovoltaic panels

無調(diào)度指令啟動(dòng)后，系統(tǒng)在0～0.3 s時(shí)間內(nèi)運(yùn)行于MPPT模式，太陽能電池板輸出電壓降低，電流增大，逆變器交流輸出功率增大，母線電壓由逆變器控制為700 V；在0.3 s時(shí)刻下發(fā)調(diào)度指令，系統(tǒng)從MPPT模式開始切換到有功調(diào)度模式，后級(jí)逆變器控制輸出功率到調(diào)度值，前級(jí)Boost電路控制母線電壓為720 V；系統(tǒng)在0.3～0.7 s時(shí)間內(nèi)運(yùn)行于有功調(diào)度模式，太陽能電池輸出電壓和電流保持不變，逆變器輸出功率保持為調(diào)度值。

2.1.2 有功調(diào)度模式轉(zhuǎn)MPPT運(yùn)行模式

有功調(diào)度轉(zhuǎn)MPPT運(yùn)行的仿真結(jié)果如圖8所示。在0～0.45 s時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)是有功調(diào)度狀態(tài)，逆變器控制輸出功率恒定為調(diào)度值，Boost電路控制母線電壓為720 V；在0.45 s時(shí)刻，撤銷有功調(diào)度命令，系統(tǒng)從有功調(diào)度模式切換到MPPT運(yùn)行模式，前級(jí)Boost電路轉(zhuǎn)入MPPT運(yùn)行，后級(jí)逆變器控制母線電壓為700 V；在0.45～1 s內(nèi)，系統(tǒng)處于MPPT運(yùn)行模式，母線電壓穩(wěn)定于700 V，逆變器輸出功率不斷變大，穩(wěn)定于最大功率點(diǎn)。

圖8 直流母線電壓和交流輸出電流波形Fig.8 DC bus voltage and AC output current waveform

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果，將控制策略應(yīng)用于50 kW兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，用1臺(tái)32 kW的PV模擬源來模擬太陽能電池板，電網(wǎng)電壓為380 V。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。開始階段，前級(jí)Boost變換器工作于MPPT模式，系統(tǒng)輸出功率約30 kW，后級(jí)逆變器控制母線電壓為700 V；t1時(shí)刻下發(fā)有功調(diào)度指令15 kW后，Boost變換器控制母線電壓為720 V，逆變器控制輸出功率達(dá)到15 kW；t2時(shí)刻撤銷調(diào)度指令，Boost電路由穩(wěn)壓運(yùn)行轉(zhuǎn)為MPPT運(yùn)行，后級(jí)逆變器由功率控制轉(zhuǎn)為穩(wěn)壓控制，控制母線電壓為700 V，實(shí)現(xiàn)了2種工作模式的無縫切換。

圖9 試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 The experimental result

3 結(jié)論

此策略應(yīng)用于兩級(jí)式光伏逆變器的有功調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了快速平穩(wěn)的調(diào)度，也可推廣到由于輸出功率的變化造成母線電壓不穩(wěn)的場(chǎng)合:當(dāng)母線電壓大于后級(jí)逆變器的穩(wěn)壓設(shè)定值時(shí)，直接由前級(jí)Boost電路接管母線電壓的控制權(quán)，后級(jí)轉(zhuǎn)為電流或者功率控制，完成了無縫切換。

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Active Power Qispatch Strategy of Two-stage Photovoltaic Inverter Based on Deviation Control

ZHAO Jianrong1，WANG Lin1，ZHANG Hailong1，LI Ruisheng2
（1.Xi’an XJ Power Electronics Technology Co.，Ltd.，Xi’an 710077，Shaanxi，China；2.XUJI Group Corporation，Xuchang 461000，Henan，China）

Aiming at two-stage photovoltaic power generation system，a new strategy of active power dispatch control was presented.The strategy could achieve quickly scheduling of two-stage photovoltaic inverter active power：when normal running，the boost chopper achieveed maximum power point tracking（MPPT）and the inverter had to be responsible for bus voltage control；when the active power dispatch instructions issued，inverter gave up bus voltage control and turned to control the output power decreased to the control value，at this time，the bus voltage would be rising，so the boost chopper circuit would turn to control bus voltage instead of MPPT control.Two stages′control strategies did not interfere with each other.The control strategy was described in detail，then the simulation model and test platform were set up to verify the feasibility of this control strategy.

two stage photovoltaic power generation system；active power dispatch；voltage deviation control；maximum power point tracking（MPPT）

TM615

A

10.19457/j.1001-2095.20170512

2016-04-21

修改稿日期：2016-10-14

趙建榮（1987-），男，碩士，工程師，Email:517941056@qq.com