江 銳 江 濤 許 蕾

（國網(wǎng)安徽省電力公司六安供電公司，安徽 六安 237000）

光伏并入配電網(wǎng)的逆變器控制策略研究

江 銳 江 濤 許 蕾

（國網(wǎng)安徽省電力公司六安供電公司，安徽 六安 237000）

本文介紹了光伏逆變系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，建立了基于濾波器逆變器的數(shù)學(xué)模型，為了便于分析，將abc三相靜止坐標系中的方程化簡為d-q兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)方程，對逆變器的控制結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)設(shè)計進行了簡單介紹。從濾波器的原理入手，對單L型和LCL型濾波器原理進行對比分析，在設(shè)計方法上，對比傳統(tǒng)的分步設(shè)計法，本文選擇了基于粒子群算法的新型LCL型濾波器的參數(shù)設(shè)計方法，最后通過仿真分析驗證了LCL型濾波器的參數(shù)設(shè)計及所研究的光伏并入配電網(wǎng)的逆變器電壓控制策略的正確性。

光伏并網(wǎng)；逆變器；控制策略；LCL濾波器

在并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，除去光伏電池陣列作為發(fā)電裝置，并網(wǎng)逆變器是實現(xiàn)整個光伏發(fā)電系統(tǒng)運行的重要器件，是電能能否優(yōu)質(zhì)饋送電網(wǎng)的核心環(huán)節(jié)，其控制策略的優(yōu)化對于提升整個光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率具有重大的意義。目前逆變器分類主要有直流電壓電源型和直流電流電源型、隔離型和非隔離型等[1]。目前在應(yīng)用領(lǐng)域較多采用的是電壓型并網(wǎng)逆變器。逆變器在工作時，由于開關(guān)處的動作將會產(chǎn)生諧波，并網(wǎng)的輸出電流將會被注入額外的諧波[2-3]。為了保證并網(wǎng)的電能質(zhì)量，必須對諧波進行處理，已有的解決方式是在并網(wǎng)側(cè)與逆變器之間加裝濾波器[4]，而常見的濾波器有L型和LCL型，如何選擇及確定濾波器具體的設(shè)計方法也成為目前光伏系統(tǒng)控制方面研究的重點。

本文針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)拓撲和逆變器控制策略以及光伏逆變器LCL濾波器參數(shù)的設(shè)計方法進行了研究，優(yōu)化了電壓電流雙閉環(huán)的逆變器控制策略，并對濾波器的濾波原理和性能進行分析。按照規(guī)定的濾波器參數(shù)設(shè)計要求，對濾波器參數(shù)設(shè)計進行了優(yōu)化，最后建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真平臺，為本文的理論驗證提供了仿真實現(xiàn)。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

光伏發(fā)電系統(tǒng)一般是由以下幾個部分構(gòu)成的，如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

1.1 光伏陣列

光伏電池的種類一般可按材料的不同劃分，一類是選取硅作為為原材料，另一類是選用聚合物作為原材料。在實際使用中，轉(zhuǎn)化效率的高低因材料的不同而迥異，為了獲得更多的電能，通常選用轉(zhuǎn)化效率高的電池組，而淘汰轉(zhuǎn)化效率低的電池組。光伏電池的工作機理是利用光生伏特效應(yīng)，將光照直接轉(zhuǎn)化為電能的組件，單個的光伏電池板所能供出的電流、電壓都不是很大，所以一般而言并不單獨使用。在使用中將單個模塊串并聯(lián)封裝之后構(gòu)成光伏發(fā)電組件模塊組，通過一系列的連接組合得到光伏陣列。

1.2 DC/DC變換器

DC/DC變換器的功能是變換直流/直流電壓，比較常見的類型有Buck變換電路和Boost變換電路[5]。在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，對電壓指標的要求是輸出的電壓幅值比光伏電池產(chǎn)生的電壓幅值要高，采用Boost型變壓電路恰好能夠?qū)﹄妷禾嵘囊?，逆變器單元的輸出效率也因此得到很大提升。除此之外，Boost變壓電路還能對光伏電池的最適宜工作的坐標點進行追蹤，使得輸出的功率在其最大點附近選取，這一過程就是已有文獻所涉及的最大功率跟蹤技術(shù)，簡稱MPPT技術(shù)[6]。

1.3 逆變器

光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心裝置是并網(wǎng)光伏逆變器，也稱作變流器。其基本作用是將光伏陣列所提供的直流電，經(jīng)過逆變器的變流作用，轉(zhuǎn)化成接入電網(wǎng)時的工頻交流電。這是因為在日常的生產(chǎn)生活中的用電設(shè)備，幾乎都是采用交流形式進行供電運行的。所以，為了滿足用戶的用電需求和并網(wǎng)要求，采用逆變器將光伏整列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化成交流電，最終接入到電網(wǎng)[7]。在光伏并網(wǎng)發(fā)電中，逆變器的種類一般分為兩類：一種是直接接觸型，另一種是非直接接觸型。在本課題中，選擇直接接觸型，以DC/AC型為代表進行研究。

1.4 濾波器

光伏發(fā)電系統(tǒng)中，經(jīng)過DC/AC變換以后，就會得到變換之后的交流電。經(jīng)過逆變器的變換，雖然得到了工頻同相的電流，但是在控制逆變器的開關(guān)時，不可避免地會產(chǎn)生諧波。這些高次、畸變的諧波如果不經(jīng)過濾除，將會直接注入電網(wǎng)，對電能質(zhì)量造成不良影響，增加電網(wǎng)器件和附近設(shè)備的額外損耗，發(fā)電輸電的使用效率因此大打折扣，更為嚴重的后果將導(dǎo)致繼電器的絕緣失效、旋轉(zhuǎn)設(shè)備產(chǎn)生機械震動。濾波器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的最后一道環(huán)節(jié)，其作用就是剔除有害的諧波，最終獲得高質(zhì)量的電能。

2 濾波器的選擇

并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電的核心部件，其分類主要有直流電壓電源型和直流電流電源型、隔離型和非隔離型等[8]。逆變器在逆變過程中會不可避免的產(chǎn)生諧波，影響其逆變效果，為了保證并網(wǎng)的電能質(zhì)量，必須對諧波進行處理，已有的解決方式是在并網(wǎng)側(cè)與逆變器之間加裝濾波器。常見的濾波器形式有單L和LCL型。

單L型濾波器由于結(jié)構(gòu)簡單易行，在光伏發(fā)電系統(tǒng)的理論分析時常用。在實際的并網(wǎng)大功率場合中效率和濾波效果并不理想，為了達到并網(wǎng)要求，往往需要大幅度增加電感值。使得單L型濾波器只適用于開關(guān)頻率低、動態(tài)性能要求不高、對設(shè)備體積重量不加考慮的場合。

LCL型濾波器的濾波效果要優(yōu)于單 L型濾波器，對并網(wǎng)的高次諧波可以進行有效的過濾?；谶@種優(yōu)點，LCL適用于大功率并網(wǎng)逆變器的工作要求。但是LCL型濾波器相比其他濾波器，其設(shè)計參數(shù)的過程相對繁瑣。為了使電子設(shè)備能有良好的濾波效果、工作效率，在滿足設(shè)計要求的限制下，需要尋求網(wǎng)側(cè)電感、濾波電容和逆變器側(cè)電感三者之間的最優(yōu)組合。

3 光伏并網(wǎng)逆變器的電壓控制策略

3.1 逆變器的雙閉環(huán)電壓控制策略

在大功率領(lǐng)域，逆變器工作時的開關(guān)頻率一般都不會太高，在低頻工作時LCL濾波器與L濾波器兩者的輸出特性也沒有很大的區(qū)別。對于器件工作時基頻分量，二者的濾波作用效果是大體一致的，也就是同樣的濾波效果，LCL濾波器更經(jīng)濟。這種情況下LCL濾波器可以被等效為單L濾波器，也就是意味著iinv=ig。設(shè)計時可將LCL型濾波器看作是總電感值LT=L1+L2的單L型濾波器。經(jīng)過以上化簡，上述模型可以等效成：

進而推出LCL濾波器逆變器在S域的模型如圖2所示。系統(tǒng)框圖清楚顯示，經(jīng)轉(zhuǎn)換后，在d軸、q軸上的分量彼此存在著相互制約，其中之一的控制量并不能單獨作用而不受另一個控制量的影響。所以，如果對這種兩者之間的相互耦合效應(yīng)不加以考慮，整個系統(tǒng)的性能和運行將偏離預(yù)期的要求。最嚴重的情況是，當(dāng)系統(tǒng)受到影響或者干擾時，無法維持穩(wěn)定，甚至失去平衡狀態(tài)。

圖2 濾波器的S域模型

經(jīng)過剛才的分析得知，d軸和 q軸上的分量不僅存在耦合關(guān)系，而且電網(wǎng)電壓分量也摻雜其中，產(chǎn)生附加影響。針對這種干擾帶來的影響，進行控制器的參數(shù)設(shè)計時，在控制端引入直流母線電壓進行前饋解耦，引入有功、無功電流分量進行前饋解耦，從而消除由各種物理量之間的耦合效應(yīng)產(chǎn)生的不良影響的干擾。具體控制器物理量之間的解耦控制如圖3所示。

圖3 逆變器控制器的解耦示意圖

由以上分析可知，解耦過程中存在兩個控制變量的控制環(huán)節(jié)。分為電流內(nèi)環(huán)控制和電壓外環(huán)控制。具體而言，所謂電流內(nèi)環(huán)控制是并網(wǎng)點處的電流作為反饋，其d軸與q軸分量分別對應(yīng)電流的有功分量和無功分量。如果要控制并網(wǎng)側(cè)的有功無功，只要設(shè)計恰當(dāng)?shù)腜I控制參數(shù)，就能實現(xiàn)所謂的電流內(nèi)環(huán)控制調(diào)整功率的目的。在進行了電流內(nèi)環(huán)控制解耦成兩個相互不影響的控制環(huán)節(jié)之后，為了對直流側(cè)的電壓幅值進行追蹤控制，采用直流電壓反饋作為電壓外環(huán)控制，并且通過PI調(diào)節(jié)器進行參數(shù)設(shè)置之后，輸出量又可以作為電流內(nèi)環(huán)控制的給定參考電流值，再進行電流控制，從而實現(xiàn)電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制環(huán)節(jié)。

3.2 系統(tǒng)控制器內(nèi)外環(huán)參數(shù)設(shè)計

由上分析的解耦過程之后，d軸和 q軸電流環(huán)的工作過程的是一致的，可以只取d軸的控制器PI參數(shù)調(diào)節(jié)進行設(shè)計。具體的電流內(nèi)環(huán)控制框圖如圖4所示。

圖4 電流內(nèi)環(huán)控制框圖

圖4 中，KPWM為比例放大系數(shù)，KP為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)，Ts為取樣的開關(guān)周期，1/(1+TsS)為取樣延遲，1/(1+0.5TsS)為小慣性延遲環(huán)節(jié)。根據(jù)前面介紹的并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型，具體的PI控制器的參數(shù)設(shè)計以此為依據(jù)進行計算。電流內(nèi)環(huán)采用的是電壓前饋作為控制量，其結(jié)果是對電網(wǎng)電壓造成的擾動影響進行平抑削弱。經(jīng)化簡可得電流內(nèi)環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

由典型Ⅰ型系統(tǒng)的二階最佳整定法，取ζ=0.707，得到

整理得

式（5）就是PI控制器電流內(nèi)環(huán)參數(shù)的整定公式。

電壓外環(huán)取直流側(cè)電容電壓作為控制量。電壓外環(huán)的控制框圖如圖5所示。

圖5 電壓外環(huán)控制框圖

由于 1 (1 + TVS)作為取樣延遲，出現(xiàn)在采用KV( 1 + TVS ) TVS 表示的 PI環(huán)節(jié)中，出于分析的方便，小慣性時間常數(shù)通常合成為一個時間常數(shù)，合并 TV和 Gci(s)可得簡化后的電壓外環(huán)控制框圖，如圖6所示。

圖6 電流內(nèi)環(huán)簡化控制框圖

按典型II型系統(tǒng)控制器參數(shù)整定原則化簡得到

這就是電壓外環(huán)的 PI控制器的整定參數(shù)計算式，經(jīng)過仿真過程中的修正調(diào)整以后，設(shè)置Kp=0.23，Ki=2.91。

3.3 粒子群算法數(shù)學(xué)過程

粒子群算法的數(shù)學(xué)過程描述如下：在粒子群算法中，首先對粒子群進行隨機初始化，通過待優(yōu)化問題的變量的個數(shù)來確定搜索空間的維數(shù)。待優(yōu)化問題的解可以看做是搜索空間中的一只鳥。每只鳥以一定的速度在空間中飛行，進行搜索。在搜索空間中，每個粒子都有一個適應(yīng)值，該適應(yīng)值由目標函數(shù)確定。每個粒子也要通過適應(yīng)值來存儲當(dāng)前自己搜索到的最優(yōu)位置即個體最優(yōu)值（Pbest）。個體最優(yōu)值代表的是每個粒子的飛行經(jīng)驗。除了個體最優(yōu)值外，還有全局最優(yōu)值（Gbest），全局最優(yōu)值是粒子群的最優(yōu)位置。

4 仿真分析

4.1 濾波器的參數(shù)設(shè)計

在這個模型中，為了便于分析LCL濾波器，將光伏陣列輸出的直流輸入電壓用直流電壓源代替，利用 PSCAD軟件建立光伏系統(tǒng)的仿真模型，仿真參數(shù)設(shè)定如下：額定有功功率為5kW，直流母線電壓為700V，電網(wǎng)線電壓有效值為380V，器件的開關(guān)頻率為10.5kHz。根據(jù)第4章介紹的LCL濾波器參數(shù)設(shè)計的限制條件和傳統(tǒng)分步設(shè)計法，所得出的參數(shù)如下：逆變器側(cè)電感L1為1.28mH，網(wǎng)側(cè)電感L2為0.43mH，濾波電容C為27μF；采用的粒子群算法中，我們選取的適應(yīng)度函數(shù)為諧波含量，因此選取適應(yīng)度函數(shù)取值最小值進行仿真，經(jīng)算法迭代最終得到 LCL濾波器參數(shù)如下：逆變器側(cè)電感 L1為1.16mH，網(wǎng)側(cè)電感L2為0.3mH，濾波電容C為29μF，適應(yīng)度為 0.0319。分別將兩組參數(shù)帶入仿真模型中得到并網(wǎng)逆變器一側(cè)輸出的電流波形如圖7所示。

圖7 分布設(shè)計法和粒子群算法的電流波形

由圖可以看出，傳統(tǒng)分步設(shè)計法得到的LCL濾波器參數(shù)，逆變器輸出的電流波形還是明顯含有一定量的諧波。如果不對濾波器參數(shù)進行優(yōu)化，那么得到的并網(wǎng)電流不僅會產(chǎn)生額外的損耗，而且對設(shè)備的正常工作也會產(chǎn)生不良影響。由圖可以明顯看出，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化的LCL濾波器，逆變器并網(wǎng)一側(cè)輸出的電流波形相比分步式方法參數(shù)設(shè)計的濾波器輸出的電流波形正弦度更好，即使開關(guān)頻率處的諧波抑制效果更為明顯，總電感量LT也較分步設(shè)計法的得到的LT更小。

輸出電流的波形上可直觀的看出兩種方法設(shè)計的濾波器參數(shù)在仿真環(huán)境中對并網(wǎng)諧波的過濾效果的優(yōu)劣。進一步驗證，通過頻譜分析模塊來對兩種設(shè)計方法的濾波效果，以總諧波畸變率的多少，來表征兩種方法的優(yōu)劣。

具體而言針對分步式方法和粒子群算法得到的濾波器參數(shù)，經(jīng)過逆變器的并網(wǎng)電流，其諧波的頻譜分析圖如圖8所示。

圖8 分步設(shè)計法和粒子群算法的頻譜分析

由圖8可以看出，分步式方法得到的網(wǎng)側(cè)電流的諧波畸變率較高，其THD為3.72%。高頻諧波并沒有得到很好的濾除；由圖可知，粒子群算法設(shè)計的LCL濾波器，在開關(guān)頻率處的諧波含量明顯要比分步式算法設(shè)計的LCL濾波器的諧波含量少。計算諧波畸變率，濾波后的網(wǎng)側(cè)電流的THD為0.82%，諧波畸變率明顯減少，達到了比較明顯的諧波抑制效果，說明了LCL濾波器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的可行性和有效性。

4.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)電流與電壓波形分析

對a相的并網(wǎng)電流和相應(yīng)的電網(wǎng)電壓關(guān)系進行波形分析。兩者波形如圖9所示。

圖9 輸出電流與電網(wǎng)電壓波形圖

由圖可以明顯看出系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)，黑色的并網(wǎng)電流波形和灰色的電網(wǎng)電壓波形基本保持了相位相同、頻率相同。并且實際的跟蹤效果由具體的功率因數(shù)清晰顯示：光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中并網(wǎng)電能的功率因數(shù)接近 1，說明并網(wǎng)逆變器輸出電流的質(zhì)量越好，驗證了系統(tǒng)控制策略和PI調(diào)節(jié)器設(shè)計的可行性和正確性。

5 結(jié)論

本文針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)拓撲和逆變器控制策略以及光伏逆變器LCL濾波器參數(shù)的設(shè)計方法進行了研究，優(yōu)化了電壓電流雙閉環(huán)的逆變器控制策略，并對濾波器的濾波原理和性能進行分析。按照規(guī)定的濾波器參數(shù)設(shè)計要求，對濾波器參數(shù)設(shè)計進行了優(yōu)化，最后通過仿真分析驗證了LCL型濾波器的參數(shù)設(shè)計及所研究的光伏并入配電網(wǎng)的逆變器電壓控制策略的正確性。

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Research on Inverter Control Strategy of PV Integrated into Distribution Network

Jiang Rui Jiang Tao Xu Lei
(State Grid Anhui Electric Power Company Lu’an Power Supply Company, Lu’an, Anhui 237000)

The topology of the photovoltaic inverter system has been introduced in this paper,based on mathematical model of the inverter filter, and in order to facilitate analysis, ABC in the three-phase static coordinate equation was simplified d-q mathematical equation under the two phase rotating coordinate system, structure and control parameters and control of the inverter design has carried on the simple introduction and from the principle of filter, principle of single type L and type LCL filter, this paper compares and analyzes on the design method, compared the traditional design method of step by step, this paper chose based on particle swarm optimization algorithm of parameter design method of new type LCL filter, and finally type LCL filter is verified by the simulation analysis of parameter design and the research of photovoltaic (PV) into the correctness of the inverter voltage control strategy of the distribution network.

PV grid-connected; inverter; control strategy; LCL filterr

江 銳（1976-），男，安徽六安人，本科，高級工程師，研究方向為運維檢修。