可调度型光伏逆变器滑模电压控制方法研究

李清然，张建成

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 0 71003)

可调度型光伏逆变器滑模电压控制方法研究

李清然，张建成

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 0 71003)

为改善小容量户用光伏发电系统中并网逆变器的有功无功调度跟踪性能及并/离网切换控制性能，提出一种逆变器滑模电压控制方案。光伏发电系统并/离网运行情况下逆变器均采用电压控制模式，无需模式切换。采用滑模控制方法实现逆变器电压控制，根据有功无功的调度指令，调节逆变器输出的端电压，实现并网模式下逆变器输出功率灵活快速跟踪调度指令的特性。在Matlab/Simulink仿真平台对所提出的控制方案进行仿真验证。结果表明，所提控制方案简单易行、功率快速跟踪调度指令能力强、并/离网过程迅速无冲击。

有功/无功;可调度性;电压控制;滑模控制;并/离网

0 引言

随着能源和环境问题日益突出，分布式发电技术得到广泛关注［1～3］。国家电网公司颁布的《国家电网公司关于印发分布式电源并网相关意见和规范的通知》提出为分布式光伏发电的发展提供优惠优质服务，推动了小型户用并网光伏发电的发展。逆变器作为并网光伏发电系统与电网的接口，其性能优劣直接影响用户和电网的电能质量［4，5］，开展对逆变器的研究对分布式光伏发电推广意义重大。

目前常用的逆变器控制策略有 PI控制［6，7］、比例谐振控制［8，9］、重复控制［10］、无差拍控制［11］等，这些控制方法各自有其优点同时仍存在一些不足。PI控制原理简单，但控制精度较差;比例谐振控制可以消除稳态误差但存在带宽限制问题;重复控制对于死区等周期性扰动有良好校正作用，但其对于非周期性扰动效果较差;无差拍控制动态性能好，但其对运算速度和系统模型精确性的要求很高，限制了其在工程上的应用。

并/离网双模式逆变器多采用混合电压电流控制模式［12，13］。并网运行时控制逆变器的输出电流与电网电压同频同相，实现单位功率因数并网;而离网运行时逆变器采用输出电压控制方案。因此并/离网运行方式切换需要伴随逆变器控制模式切换，比较复杂，并且切换过程中存在负载电能质量较差、冲击电压电流过大等问题，不利于电网和逆变器安全运行。目前无缝切换技术［14～18］还存在控制复杂、实现困难等问题。由于光伏系统输出功率具有随机性和不可控性，随着光伏电源渗透率的增加，如何控制其输出功率，使其参与电网调度也成为电网即将面临的问题，而目前这方面的研究还比较少。

针对上述问题，本文设计了光伏系统并/离网运行方式下的逆变器电压控制方案，在光伏系统运行方式切换过程中，无需对逆变器的控制模式进行切换，简单易实现，对于负载、电网和逆变器安全无冲击。由于小型的户用光伏系统可能需要比较频繁的并/离网操作，因此在并网模式下逆变器采用电压控制相对于电流控制有较大优越性。并网运行时通过调节逆变器的输出端电压实现有功和无功的快速跟踪，可以灵活方便地进行功率调度控制。另外根据用户对逆变器的需求，逆变器应该具有较宽的直流输入电压适应范围、对负载扰动的不敏感性和鲁棒性以及良好的动态特性。滑模控制具有响应速度快、对参数和扰动不敏感、简单易实现等优点，因此本文采用滑模变结构控制方法实现上述逆变器控制方案。

1 可调度型单相光伏逆变系统结构

对于小容量的户用光伏发电系统，多采用单相全桥逆变器与电网相连。因此本文依托单相全桥逆变器展开研究，所采用的单相逆变系统结构如图1所示。

图1 单相逆变系统结构图

图1中Udc表示等效替代直流电压源;Lf，Cf表示滤波电感和电容;R+jX表示电缆线路的阻抗;Rload表示用户的本地负载;us表示电网。S1为并网开关，当电网故障时，S1断开隔离故障。S2为本地负载用电选择单刀双掷开关，电网为本地负载供电时，S2掷于a;光伏发电系统为本地负载供电时，S2掷于b。S3为光伏发电系统出口开关，当光伏发电系统故障时，S3断开隔离故障。图1虚线框中为光伏发电系统并网模式和离网模式不同的参考电压生成方式。

光伏发电系统中，光伏电池经过DC/DC变换器实现最大功率跟踪和升压功能，同时可调度型光伏系统必然要求配备一定容量的储能装置，满足功率调度需求。因本文讨论重点在于逆变器控制，简单起见，将这部分电路用电压在一定范围内波动的直流电源Udc等效替代。光伏系统输出的直流电能，经过逆变器和滤波器后转变为符合要求的工频交流电并入电网。小容量的户用光伏发电系统，多经过电缆线路并入电网，由于电压等级比较低，所以线路电阻不能忽略。

2 逆变器滑模电压控制方法

传统的并/离网双模式逆变器多采用混合电压电流控制模式。当光伏发电系统离网运行时，将逆变器等效为电压源，采用电压模式控制结构，控制输出电压瞬时值;当光伏发电系统并网运行时，将逆变器等效为电流源，采用电流模式控制结构，控制并网电流与电网电压同频同相，实现单位功率因数并网。在并/离网系统运行方式切换时，逆变器的控制结构也要相应切换，切换过程中负载电能质量较差，对电网造成一定冲击。对于小容量户用光伏发电系统，天气较好的白天并网发电，为了防止电网功率倒送，夜间及阴雨等不能发电时一般将其与电网分离，因此需要频繁的并/离网操作，逆变系统显然不适合采用上述传统控制方法。

本文所提滑模电压控制方案，无论光伏系统并网、离网运行，逆变器均采用电压控制，不存在电压电流控制模式切换，滑模控制作用下电压稳定性好，并/离网操作过程中负载电能质量良好，对电网无冲击。

下面详细分析并/离网运行方式下光伏逆变器滑模电压控制方案的设计过程。

2.1 参考电压生成

光伏发电系统并网运行时，逆变器的控制目标为输出功率跟踪电网功率调度指令的要求;光伏发电系统离网运行时，逆变器的控制目标为保证负载的电能质量。根据不同的控制目标，逆变器输出电压参考值ucref的生成方式不同。

2.1.1 并网模式

如图1所示，在并网模式下，并网开关S1闭合，本地负载选择开关S2接入a点，S3闭合。参考电压生成方式选择虚线框中并网模式方式。

根据有功和无功的调度指令确定逆变器输出电压，可以实现有功无功的解耦控制。设Pref，Qref分别为逆变器输出功率调度指令，Ip，Iq分别为逆变器输出有功电流、无功电流参考值。Up，Uq分别为有功电流Ip、无功电流Iq在线路阻抗R+jX上引起的压降，则:

参考电压生成原理如图2所示。

图2 参考电压生成原理

则逆变器输出电压参考值为:

由式 (4)可见，有功无功可以单独调节，实现解耦控制。有功、无功调度指令变化后，逆变器输出电压参考值的幅值和其相对于电网的相位会相应变化，逆变器输出电压uc在滑模电压控制模块作用下跟踪参考值ucref从而保证逆变器输出功率跟踪功率调度指令。

2.1.2 离网模式

电网故障情况或者因用户需要频率等与市电不同的特殊电能而使光伏发电系统离网运行时，如图1所示，并网开关S1打开，本地负载用电选择开关S2接入b点，不再经过电缆线路，S3闭合，由光伏发电系统为本地负载供电。逆变器的输出电压参考值ucref可以选择用户给定的参考电压，参考电压的幅值频率等参数根据用户自身需要而定。

光伏发电系统并/离网运行时，滑模电压控制作用下逆变器的输出电压跟踪参考电压，下面分析滑模电压控制的设计过程。

2.2 滑模电压控制

取逆变器输出滤波电容电压及其导数为状态变量，建立状态方程如下:

式中:Ro在并网模式下为电缆阻抗、本地负载阻抗、逆变器并网功率等效阻抗组成的综合阻抗，在离网模式下为本地负载阻抗。u表示开关器件VT1－VT4的通断状态。

为控制逆变器输出电压，以状态偏差量建立滑模面函数:

式中:c为滑模面系数。

采用指数趋近律缩短到达滑模面的时间:

式中:ε和k为指数趋近律系数。k能保证当s较大时系统以较大的速度趋近滑动模态，ε使得当s接近0时，趋近速度不是0，保证系统在有限时间内到达滑动模态。通过选择合理的ε和k(ε＞0且ε很小，k＞0且k适当大)可以保证快速趋近并削弱抖振现象。

联立式 (5)～(9)得到等效占空比:

由于等效占空比中含有直流侧电压Udc，所以控制系统对于逆变器直流侧电压的波动有良好的鲁棒性。

联立式 (5)～(10)并化简得到:

满足滑模存在性及系统稳定性。

3 仿真与分析

在Matlab/Simulink环境下搭建模型进行仿真。选取滤波器参数为Lf=5 mH，Cf=10 μF。光伏系统出口选择400 V低压电缆并网，滤波器出口到电网距离取为1.5 km。滑模面系数c=3 000，指数趋近律系数ε=5，k=2 500，开关器件工作的频率为10 kHz。考虑如下方面:

(1)有功功率调度指令Pref、无功功率调度指令Qref变化条件下，检测逆变系统输出功率跟踪调度指令的能力。

(2)直流电压Udc变化条件下，检测逆变器的直流输入电压适应能力。

(3)并/离网运行方式切换条件下，检测切换过程中负载电能质量以及注入电网的电能质量。

(4)本地负载Rload变化条件下，检测逆变器负载适应能力。

在实际光伏发电系统中，上述变化或者扰动随机发生，最恶劣的情况即同时交叉发生，因此本文在仿真中考虑同时交叉发生的情况。

设定仿真时间为1 s，0.125 s时刻并网，0.935 s时刻离网，本地负载电阻在0.54 s由10+j9.4 Ω突变为20+j15.7 Ω。逆变器直流输入电压的扰动如图3所示，直流电压波动范围为450～550 V。

图3 逆变器直流输入电压变化

0.125～0.935 s并网时间内，有功功率调度指令变化情况及逆变器输出有功功率跟踪调度指令情况如图4所示，无功功率调度指令变化情况及逆变器输出无功功率跟踪调度指令情况如图5所示。

图4 有功调度指令及有功跟踪情况

图5 无功调度指令及无功跟踪情况

由图3～5可见在直流输入电压扰动情况下，有功、无功的调度指令变化时，逆变器输出功率能够在0.02 s内跟踪调度指令达到稳定，逆变器输出功率跟踪调度指令能力良好。有功和无功调度与跟踪相对独立互不影响。

0～1 s内光伏发电系统并/离网运行方式切换、功率调度指令变化及负载突变等情况交叉发生过程中，本地负载的电压和电流波形如图6所示，图7为光伏系统并网时刻、离网时刻、负载突变时刻负载电压局部放大图，图8为负载电流傅里叶谐波分析得到各次谐波相对于基波的幅值。

图6 本地负载电压电流

由图6与图7可见，在0.125 s并网及0.935 s离网时刻，负载电压迅速切换后稳定，不存在超调或者振荡情况，负载电能质量良好，系统动态性能良好。在直流电压扰动及功率调度指令突变等不利情况下，0.54 s负载突变，负载电压不受影响，负载适应能力良好。

图7 并网/离网/负载突变情况下负载电压局部放大

图8 负载电流傅里叶谐波分析

由图8负载电流傅里叶谐波分析结果可见负载电流总谐波畸变THD为0.31%，负载电能质量满足要求。

0～1 s光伏系统的并网电流及其傅里叶谐波分析得到各次谐波相对于基波的幅值如图9所示。

图9 并网电流及其傅里叶谐波分析

由图9可见，在图3所示逆变器直流电压波动及0.54 s负载突变等情况下，图4、图5所示功率调度指令变化后并网电流迅速跟踪调度指令进行调整，暂态过程非常短，在0.005 s内达到稳定，跟踪迅速无超调无振荡，波形良好，并网电流总谐波畸变率为1%，电能质量满足并网要求，体现了滑模控制系统对于参数变化和负载扰动的不敏感性和鲁棒性以及良好的动态特性。

图10为0.125 s并网时刻、0.935 s离网时刻并网电流局部放大情况。

图10 并/离网过程并网电流局部放大

由图10可见并/离网切换过程平滑快速无冲击，充分体现了电压源控制模式相对于混合电压电流控制模式在并/离网切换过程的优越性。

4 结论

逆变器性能优劣直接影响用户及电网电能质量。本文以小容量户用光伏系统中逆变器输出功率灵活可调度与并/离网快速无冲击为目标，提出了一种简单易实现、控制性能优良的并/离网滑模电压控制方案。在Matlab/Simulink仿真平台上建模仿真，结果表明，所提控制方案在有功无功可调度性及并/离网切换方面性能优越，为分布式光伏推广提供支持。

［1］李春曦，王佳，叶学民，等．我国新能源发展现状及前景 ［J］．电力科学与工程，2012，28(4):1－8．

［2］李潇雨，黄珂．分布式能源发展政策研究文献综述［J］．华北电力大学学报 (社会科学版)，2015，42(1):20－25．

［3］邵汉桥，张籍，张维．分布式光伏发电经济性及政策分析 ［J］．电力建设，2014，35(7):51－57．

［4］曾正，赵荣祥，汤胜清，等．可再生能源分散接入用先进并网逆变器研究综述 ［J］．中国电机工程学报，2013，33(24):1－12．

［5］曾正，杨欢，赵荣祥，等．多功能并网逆变器研究综述 ［J］．电力自动化设备，2012，32(8):5－15．

［6］朱炜锋，窦伟，徐正国，等．基于PI控制的三相光伏并网逆变器电流控制器设计 ［J］．可再生能源，2009，27(2):55－58．

［7］吴威．单相光伏并网逆变器控制策略的比较研究［J］．电网与清洁能源，2013，29(8):75－78．

［8］黄如海，谢少军．基于比例谐振调节器的逆变器双环控制策略研究 ［J］．电工技术学报，2012，27(2):77－81．

［9］陈超，李鹏，张双乐．基于比例谐振的LCL型并网逆变器控制系统设计［J］．电力科学与工程，2012，28(8):1－6，23．

［10］张兴，汪杨俊，余畅舟，等．LCL并网逆变器改进型重复控制策略 ［J］．电力系统自动化，2014，38(20):101－107．

［11］黄天富，石新春，魏德冰，等．基于电流无差拍控制的三相光伏并网逆变器的研究［J］．电力系统保护与控制，2012，40(11):36－41．

［12］ Yang S，Lei Q，Peng F．Multi-loop control algorithms for seamless transition of grid-connected inverter［C］．Twenty-fifth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，Palm Springs，CA，United States，21－25 February，2010:844 －848．

［13］ Chen C L，Wang Y，Lai J S，et al．Design of parallel inverters for smooth mode transfer microgrid applications［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(1):6－15．

［14］王晓寰，张纯江．分布式发电并网无缝切换控制算法设计与实现 ［J］．电网技术，2012，36(7):191－194．

［15］晋鹏娟，赵兴勇，梁元元．光伏发电双模式运行无缝切换控制策略研究 ［J］．现代电力，2014，31(2):55－59．

［16］赵兴勇，晋鹏娟，王灵梅．基于储能的风力发电逆变器加权控制算法［J］．电力科学与工程，2014，30(2):7－11．

［17］刘增，刘进军．一种可实现分布式发电系统平滑切换的三相逆变器控制方法 ［J］．电工技术学报，2011，26(5):52－61．

［18］ Ochs D S，Mirafzal B，Sotoodeh P．A method of seamless transitions between grid-tied and stand-alone modes of operation for utility-interactive three-phase inverters ［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，2014，50(3):1934－1941．

Research on Schedulable Type of Photovoltaic Inverter Sliding Mode Voltage Control Method

Li Qingran，Zhang Jiancheng
(School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In order to improve the active and reactive scheduling and tracking performance and grid-tied/stand-alone mode transfer control performance of inverter for small capacity household photovoltaic(PV)system，a new sliding mode voltage control scheme was proposed．Inverter adopted voltage control during grid-tied/stand-alone period of PV system，without controlling mode switch．And voltage control was realized by using sliding mode control method．According to the active and reactive power dispatch instructions，the inverter output voltage was adjusted，to realize the inverter output power characteristics of flexible fast track scheduling commands in the grid-connected process．Simulations were carried out in the MATLAB/SIMULINK platform to verify the proposed control strategy．Finally，the results show that the proposed control scheme is simple to realize，can track power instruction quickly，and has no negative impact during rapid grid-tied/stand-alone mode transfer process．

active/reactive power;schedulable features;voltage control;sliding mode control;grid-tied/stand-alone

TM615

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.06.001

2015－03－24。

国家自然科学基金 (51177047)。

李清然(1989-)，女，硕士研究生，研究方向为新能源发电技术，E-mail:qingr_li@126.com。