廣州城市電力工程有限公司 何 政

以光伏電源是否獨(dú)立運(yùn)行可劃分為獨(dú)立并聯(lián)結(jié)構(gòu)、公用并聯(lián)結(jié)構(gòu)兩類。本文以我公司某光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，對(duì)光伏分布式發(fā)電中多逆變器并聯(lián)技術(shù)進(jìn)行分析。

1 光伏分布式發(fā)電中多逆變器并聯(lián)控制方式

1.1 有聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)

光伏分布式發(fā)電中，多逆變器采用有聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)控制方式時(shí)具有三種形式。

集中控制形式。其會(huì)通過一個(gè)集中控制裝置實(shí)現(xiàn)控制連接其他逆變器，且可以向所有逆變器同步發(fā)出脈沖，再使用鎖相環(huán)控制各逆變器電壓，確?；鶞?zhǔn)值達(dá)到脈沖要求，集中進(jìn)行各逆變器輸出電流的處理，調(diào)節(jié)其輸出電壓的實(shí)際幅值。

主從控制形式。是指在多逆變器并聯(lián)的系統(tǒng)中，將其中一臺(tái)設(shè)置為主機(jī)對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行控制，而其余逆變器設(shè)置為從機(jī)對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行控制。該形式下的主機(jī)逆變器會(huì)對(duì)負(fù)載電壓值進(jìn)行調(diào)節(jié)，并基于并聯(lián)系統(tǒng)的逆變器數(shù)量平均分配負(fù)載電流，從機(jī)逆變器則是跟蹤電流基準(zhǔn)。

分散邏輯控制形式。是指將中心控制逆變器的功能分配到各個(gè)分散的逆變器中，要求每個(gè)逆變器都能協(xié)同控制負(fù)載電壓，提高系統(tǒng)冗余度，逆變器之間的信息傳遞通過總線實(shí)現(xiàn)，再通過比較調(diào)節(jié)到均載狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)功率和電流的平均化控制。

1.2 無聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)

光伏分布式發(fā)電機(jī)制采用有聯(lián)絡(luò)線方式并聯(lián)控制多逆變器時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)某個(gè)逆變器借助互聯(lián)線獲知其余逆變器重要信息的情況，這也容易造成單點(diǎn)故障隱患，為了改善這種情況，有學(xué)者研究出電力線通信的無聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)控制方式，其是將電力線當(dāng)作傳播信號(hào)的載體，多個(gè)逆變器信息都會(huì)借助擴(kuò)頻芯片將信息傳送到交流母線上實(shí)現(xiàn)信息疊加，同時(shí)也會(huì)遵循特點(diǎn)通信規(guī)則來傳播信息。簡單來說，就是母線上的信號(hào)信息分離處理后共享給各個(gè)逆變器，其原理與分散邏輯控制較為相近，有利于提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小功率均分的偏差，但這種方式運(yùn)用的調(diào)制芯片會(huì)增加經(jīng)常成本，同時(shí)相關(guān)交流輸出信號(hào)的母線上電壓輸出波形質(zhì)量有所降低，系統(tǒng)的抗干擾特性變?nèi)?，?dǎo)致電磁兼容性也存在不足，還有待進(jìn)一步改善。

1.3 下垂特性控制

對(duì)于逆變器并聯(lián)系統(tǒng)開展建模分析后不難發(fā)現(xiàn)，逆變器之間輸出阻抗條件下都表現(xiàn)為電感性，同時(shí)電位相位同輸出功率之間有著一定聯(lián)系，基于該項(xiàng)規(guī)律，下垂特性控制方式被提出，其特點(diǎn)是基于輸出電壓均衡，能夠?qū)o功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過電壓頻率的調(diào)節(jié)也能調(diào)節(jié)相角差，實(shí)現(xiàn)有功功率有序分配。這種并聯(lián)控制方式也無需在逆變器間設(shè)置聯(lián)絡(luò)線，且逆變器布置的距離不會(huì)受到限制，避免了單點(diǎn)故障情況[1]。光伏分布式發(fā)電系統(tǒng)中，在多逆變器中按照下垂特性進(jìn)行控制以及測量，能夠保證交流輸出母線得到連接，從而完成有功/無功功率測定，在依據(jù)下垂控制原理對(duì)逆變器電壓、相位以及頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)后，保證負(fù)載合理分配，確保并網(wǎng)后穩(wěn)定運(yùn)行。

2 基于下垂特性控制的多逆變器并聯(lián)控制策略

基于我公司某光伏發(fā)電項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，采取下垂特性控制下并聯(lián)策略，能夠保證系統(tǒng)性能的穩(wěn)定，支持并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。具體技術(shù)要點(diǎn)如下。

2.1 雙環(huán)控制策略

2.1.1 下垂特性控制

本文以兩臺(tái)逆變器并聯(lián)為例，使用LC 濾波器將高頻毛刺濾除，再將線路和交流母線進(jìn)行連接，其中K1和K2作為輸出繼電器對(duì)發(fā)電單元控制，負(fù)載值為Z1。因此可得到逆變器（i）的輸出電流（I）為：Ei∠φiU∠0°/（ri+jXi）、Si=Ei∠φi×I*oi=Pi+jQi， 其中：I表示逆變器輸出電流，Ei∠φi表示逆變器空載的輸出電壓，U∠0°表示并聯(lián)母線電壓，X表示輸出感抗，φ表示輸出電壓以及母線電壓存在的相角差，r表示電阻。Pi表示有功功率，Qi表示無功功率。因此可進(jìn)一步得出：Pi=1/|Zi|（（UEicosφi-U2）cosθi+UEisinφisinθi）、Qi=1/|Zi|（（UEicosφi-U2）sinθi-UEisinφicosθi）、同時(shí)又由于式中的φi值很小，sinφi≈φi，cosφi≈1，因此得出：Pi≈UEi/Xiφi、Qi≈U/Xi（Ei-U），式中：Pi表示有功功率，Xi表示輸出與線路感抗之和，Ei表示逆變器輸出電壓幅值，φi輸出和母線電壓之間相角差，U表示輸出電壓。Qi表示無功功率。

因此可知，有功功率變化受到輸出電壓相角差變化的而影響，無功功率受到輸出電壓變化的影響。調(diào)節(jié)有功功率可同時(shí)對(duì)對(duì)角頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)一步調(diào)節(jié)電壓相角差；調(diào)節(jié)無功功率也能對(duì)電壓幅值產(chǎn)生影響。當(dāng)逆變器輸出阻抗呈電阻性或者電感性時(shí)，那么下垂控制方程如下：電阻性。電感性。式中：表示輸出電壓相角差，表示輸出電壓角頻率，mi、ni表示下垂控制系數(shù)，Ei表示逆變器輸出電壓幅值，表示輸出電壓角幅值，Qi表示無功功率。

2.1.2 輸出阻抗

通過選取系統(tǒng)參數(shù)能夠控制逆變器輸出電阻，電壓控制環(huán)用于對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行控制，采取PI控制輸出精度，輸出精度更高。電感電流調(diào)節(jié)環(huán)用于對(duì)動(dòng)態(tài)性能控制，采取P控制更能保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性。

逆變器會(huì)通過濾波電感輸出，且電感值較大、電感感抗值較電阻值更高，在高壓線路上感抗值較電阻值更高。線路阻抗比和電路電壓存在密切關(guān)系，當(dāng)電壓等級(jí)不同時(shí)線路阻抗值也存在很大差異。低電壓等級(jí)線路的線路阻抗比相對(duì)更高。高電壓等級(jí)線路的電阻值較小，甚至可以忽略不計(jì)。在高壓線路中電阻值遠(yuǎn)低于感抗值，而在低壓線路中電阻值較感抗值更高。因此電壓低的情況下輸出阻抗表現(xiàn)為電感性，將線路阻抗加上輸出阻抗等同于等效輸出阻抗值。通過對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的合理控制能夠?qū)敵鲎杩惯M(jìn)行設(shè)計(jì)，從而盡可能減小阻抗產(chǎn)生的影響。因此借助于虛擬阻抗值校正輸出阻抗值，讓逆變器呈電感性。虛擬阻抗來源于等效阻抗，通過閉環(huán)控制方法讓等效輸出阻抗達(dá)到系統(tǒng)預(yù)期特性。在工頻條件下輸出電阻忽略不計(jì)，逆變器呈純感性。

引入虛擬阻抗后，電壓參考值Ure和等效輸出阻抗Zv(S)的關(guān)系為：Uref=U*ref-Zv（S）i0、Z*out（s）=（kps+ki）kekPWM/ΔZv（S）+Zout（s）=Ls，其中：ki和kp表示PI調(diào)節(jié)器積分和比例積分系數(shù)，ke表示P調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，kPWM表示逆變器增益，i0表示線路電流，Ls表示輸出阻抗近似值，Zout（s）表示輸出阻抗。

從系統(tǒng)環(huán)流和電壓控制出發(fā)，逆變器輸出阻抗為電感性，應(yīng)保證并聯(lián)分配功率滿足要求，即輸出阻抗同系統(tǒng)額定功率(含有功、無功)存在反比關(guān)系。根據(jù)輸出阻抗表現(xiàn)為電阻性，可以消除環(huán)流以及電壓偏差的影響，但輸出阻抗和容量二者始終處于反比關(guān)系。

2.1.3 并聯(lián)穩(wěn)定性控制

對(duì)于發(fā)電系統(tǒng)而言，需要保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。計(jì)算輸出功率公式為功率，Q表示無其功中功：率p表，v示 表瞬示時(shí)輸功出率電，壓P， 表i示表有示功輸出電流，t表示周期。

方法一：將電流電壓相乘獲取瞬時(shí)功率值，計(jì)算一個(gè)周期的平均值得到平均功率；方法二：選擇低通濾波器后，可將直流分量視作輸出頻率。

在方法一的條件下，周期內(nèi)輸出功率為統(tǒng)一參數(shù)，下垂特性調(diào)節(jié)周期為1次/周期，系統(tǒng)響應(yīng)將花費(fèi)更長的時(shí)間；在方法二的條件下，每周期都能完成相應(yīng)的下垂調(diào)節(jié)，并聯(lián)系統(tǒng)可以做出較快響應(yīng)[2]。濾波器直流分量主要受到截止頻率的影響，當(dāng)截止頻率處于較低水平能夠達(dá)到更好的濾波效果，但會(huì)形成較長時(shí)間延遲，影響動(dòng)態(tài)時(shí)效性。截止頻率較高時(shí)會(huì)影響下垂控制的精確性，但動(dòng)態(tài)性能有所提高。在控制策略中應(yīng)用低通濾波器，低通濾波產(chǎn)生的延時(shí)較長，系統(tǒng)響應(yīng)速度低，因此盡可能選擇較大截止頻率。逆變器電壓幅值取決于輸出功率，改善均流效果可能會(huì)造成電壓頻率和幅值的下降，因此在選擇系數(shù)時(shí)著重于考慮負(fù)載達(dá)到最大工況下電壓和頻率能夠滿足要求。

2.1.4 諧波功率控制

逆變器輸出電流中包含很多諧波，主要由于SPWM 控制方式產(chǎn)生高頻諧波、輸出阻抗的影響，或者受到整流負(fù)載條件下諧波電壓和輸出電壓產(chǎn)生的影響。低通濾波器無法濾除逆變器輸出阻抗上諧波電壓，可能會(huì)造成輸出電壓出現(xiàn)畸變。逆變器并聯(lián)系統(tǒng)若未重視對(duì)諧波的控制可能給系統(tǒng)帶來較大損失，降低帶載能力。諧波功率不同于線性功率分配，無法通過對(duì)逆變器的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)均分，一般情況下輸出阻抗呈感性，諧波階次高所產(chǎn)生諧波電壓幅值更高，會(huì)影響輸出電壓穩(wěn)定性。線路阻抗可產(chǎn)生阻抗作用，當(dāng)阻抗匹配，輸出電壓波形幅度小，逆變器運(yùn)行過程中諧波功率可實(shí)現(xiàn)均分，無需考慮負(fù)載諧波均分。因此通過對(duì)外環(huán)放大增益的控制對(duì)輸出阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而對(duì)諧波電流控制和分配，使得增益下垂減少，減少逆變器承擔(dān)的諧波電流。

2.2 電壓控制策略

2.2.1 引入虛擬復(fù)阻抗

電容和電感可形成濾波器，濾過高頻毛刺，從而忽略感抗帶來的影響，連接交流負(fù)載以及低壓電路[3]。將開關(guān)周期進(jìn)行縮短后，交流變量可瞬間達(dá)到平均水平，逆變器輸出阻抗呈現(xiàn)出電阻性。

引入虛擬復(fù)阻抗后，在輸出阻抗中表現(xiàn)為電阻性，即使在低頻工況下仍可保證恒定狀態(tài)。反之輸出阻抗則表現(xiàn)為電感性，且出現(xiàn)更為敏感變化特征。在低頻工況下的阻抗較小，引入虛擬復(fù)阻抗后輸出阻抗值增加，在低頻條件下輸出阻抗值可見明顯增加[4]。其中RD取值并非越高越好，隨著RD值的增加將提高輸出阻抗變化幅度。有研究圍繞輸出阻抗對(duì)于并聯(lián)均流的影響進(jìn)行分析得出，輸出阻抗越大更能起到良好的均分效果。根據(jù)下垂控制法，相比于輸出電壓值，逆變器輸出電壓可能會(huì)產(chǎn)生電壓降且電壓降較大?？梢姙榱俗屳敵鲎杩巩a(chǎn)生電阻性引入虛擬電阻并不可取。虛擬阻抗因同時(shí)涵蓋了感抗和電阻，可能會(huì)出現(xiàn)輸出電阻增加的情況，當(dāng)感抗為負(fù)時(shí)表現(xiàn)出電容性，引起輸出阻抗中感性分量的下降，在工頻條件下可讓輸出阻抗呈現(xiàn)出純阻性[5]。

2.2.2 電壓控制

引入虛擬復(fù)阻抗，使用控制器進(jìn)行精確計(jì)算，逆變器輸出電阻為電阻性。采取下垂控制法主要對(duì)平均功率進(jìn)行控制，所有輸出有功功率和無功功率均經(jīng)過濾波器的濾除才能得到有功功率和無功功率。使用濾波器有效濾除直流分量，在運(yùn)作過程中負(fù)載處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，逆變器在這一情況仍可保證輸出頻率符合參考頻率要求，從而對(duì)輸出頻率進(jìn)行有效控制。給予虛擬復(fù)阻抗進(jìn)行電壓控制，能夠讓輸出阻抗呈現(xiàn)純陽性，保證逆變器電壓穩(wěn)定控制，下垂控制法能利用參數(shù)控制來控制輸出阻抗的影響[6]。

綜上所述，本文通過引入虛擬阻抗來改變逆變器輸出阻抗，輸出阻抗接近于濾波電感感抗，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，通過采取下垂控制方式達(dá)到功率均分目的。在低壓線路中，由于設(shè)置較大電阻值，高壓線路電抗值較大，逆變器輸出阻抗呈現(xiàn)出電阻性。在電壓控制上，通過調(diào)整下垂控制法來保證輸出阻抗呈純阻性來改善逆變器并聯(lián)的均流效果。