两级三相光伏并网发电系统并网控制策略研究

庞松岭，朱望诚，方连航，钱 欣，蔡昌春

(1．海南电网有限责任公司电力科学研究院，海南 海口 570125;2．海南省电网理化分析重点实验室，海南 海口 570125;3．河海大学物联网工程学院，江苏 常州 213022)

0 引言

随着能源危机和环境问题的日益加重，可再生能源的开发和利用逐渐得到重视。其中，太阳能光伏发电系统由于其高效、清洁等特点备受关注。光伏发电是目前发展前景较好的可再生能源技术之一。光伏发电系统具有独立运行和并网运行两种方式。其中，并网运行是当前光伏发电系统开发的重点。

光伏系统并网运行需要可靠、稳定的控制技术，包括系统的最大功率跟踪和并网逆变器控制等。从拓扑结构上看，光伏发电系统分为单级式和两级式。两级式由于其实现前级Boost电路和逆变并网电路的分开，能达到最大功率跟踪和并网逆变控制的解耦控制，在并网光伏发电系统中得到广泛应用。

最大功率跟踪和并网控制是光伏发电系统并网运行的核心。文献[1]从光伏电池的数学建模出发，分析了局部遮挡情况下的输出功率特性曲线以及并网特性。文献[2]对传统最大功率追踪方法(恒定电压法、扰动观察法、电导增量法)进行了对比研究，通过分析各自的优缺点，提出了混合方法进行最大功率控制的可行性。文献[3]提出了一种基于模糊逻辑与扰动观察法相结合的方法，有效地提高了最大功率跟踪(maximum power point tracking，MPPT)速度和精度。文献[4]提出了一个新的判断光伏电池最大功率点方法，并通过结合扰动观察法和固定电压法实现其最大功率控制。文献[5]采用无差拍电流控制方法，通过提高光伏系统的动态响应速度，进而改善输出电流质量，并从原理上提升了控制器对系统参数不确定性的灵敏度，在保证系统稳态的同时，通过补偿滤波器抑制电流中的谐波。文献[6]提出了基于同步旋转坐标变换，实现光伏阵列最大功率跟踪与电流控制的电压源型逆变器相结合的单级三相光伏并网控制系统。文献[7]提出了一种典型光伏并网逆变器双环控制模型参数的解耦辨识策略，提高了光伏并网逆变器的控制精度。文献[8]～文献[9]结合谐波注入和多电平技术，提出了单级式电流源型光伏并网换流器拓扑结构及其非线性控制策略。文献[10]采用并网电流和电容电流双闭环控制策略进行并网电流控制，抑制了光伏并网的系统振荡问题。文献[11]采用电流瞬时值和电流有效值双闭环控制策略实现输出电流波形控制。文献[12]提出了一种带有比例系数的正序网压前馈控制方法，引入正序网压前馈环节，实现了降低网压畸变的目的。

本文首先在Matlab/Simulink环境下搭建了光伏电池的工程应用模型，在前级Boost电路中采用变步长电导增量法实现最大功率追踪和升压的功能，后级三相全桥逆变电路采用电压电流的双闭环控制方式对并网逆变器进行控制。仿真结果表明，本文提出的控制策略能够实现光伏系统的最大功率跟踪，且有效抑制系统并网谐波，保持与电网的同频同相要求。

1 两级三相光伏并网发电系统结构

光伏系统主要由光伏面板、Boost升压电路、脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)逆变电路、电感-电容-电感(LCL)滤波电路、MPPT最大功率跟踪控制和并网控制等组成。光伏面板将太阳能转化为电能，通过斩波DC/DC升压电路以及MPPT控制，实现光伏系统的直流升压和最大功率跟踪；直流电经升压电路升压后，经Cdc与PWM逆变电路相连，并通过LCL滤波电路实现系统的并网。两级三相光伏并网发电系统结构如图1所示。

图1 两级三相光伏并网发电系统结构图

光伏电池将光能转化为电能基本单元。光伏电池端口电压和端口电流的伏安特性可表示为：

(1)

式中：U、I分别为光伏面板端口电压、电流，该电压、电流由光生电流源Iph决定，且光生电流源与光伏电池的面积和光照强度成正相关；Rs、Rsh分别为光伏电池等效串联电阻、并联电阻；I0为并联电流；q为电子荷；K为波尔兹曼常数；A为曲线常数；T为光伏电池工作绝对温度。

2 光伏系统的最大功率跟踪

光伏系统最大功率跟踪是实现光伏系统最大能量输出的保证，能有效提高光伏系统的利用效率。通过控制Boost DC/DC升压电路的输出电压，可保证光伏系统工作在最大功率点或者附近，实现光伏系统的最大功率跟踪。理论上，在最大功率点处，电压和功率存在如下关系：

(2)

式中：P为光伏面板输出功率。

(3)

最大功率跟踪控制流程如图2所示。

图2 最大功率跟踪控制流程图

变步长电导增量法采用恒定占空比启动，根据功率占空比微分极点自动划分跟踪区域，将工作状态划分为远离最大功率点区域和逼近最大功率点区域。前者采用固定大步长进行快速跟踪，后者采用变步长进行高精度跟踪。基于变步长的电导增量法，使用Boost电路来实现最大功率点跟踪，其实际控制量为占空比D。变步长可表示为：

(4)

式中：Dk为当前时刻占空比；Dk-1为上一时刻占空比；λ为步长。

3 光伏并网双闭环控制

光伏系统并网采用LCL滤波器。该滤波器可以有效降低网测电流的谐波畸变率，并满足系统并网造成的谐波衰减的要求。由于LCL电路容易发生谐振且在谐振频率处形成谐振尖峰，由此引入谐波，通过增加阻尼，可以提高系统并网的稳定性和LCL电路的谐波抑制能力。额外电阻的接入带来系统额外的有功功率损耗。因此，本文通过增加虚拟阻抗的思路进行LCL电路谐波的抑制，利用虚拟阻抗技术，抵消原系统波特图的正谐振峰。

光伏并网系统采用的电压电流双闭环控制系统如图3所示。

图3 双闭环控制系统示意图

该电路包括电压电流的双闭环控制、功率前馈控制。外环电压控制利用参考电压和直流侧电压的误差，通过比例积分(proportiond integral,PI)控制环节实现直流测母线电压的稳定。使得光伏系统输出功率稳定；内环电流控制利用参考电流和实测电流的误差，通过PI控制环节为逆变器提供合适的电压，从而控制逆变器输出电压稳定。

图3中：外环电压控制直流侧采样电压uDC与给定的参考电压uDCref比较后，经比例积分控制调节后得到电流的参考值iref；同时将得到的电流参考值与电网同步信号相乘得到d轴电压参考分量idref。为了保证系统输出功率因素为1，将系统q轴参考电流设置为0。系统采用增量PI控制器进行直流电压的调节和运算，以提高运算速度。

(5)

式中：kP为PI控制器的比例系数；Ti为比PI控制器的积分时间常数。

LCL并联电阻控制结构如图4所示。

图4 LCL并联电阻结构框图

图4中：Rc为电容并联电阻；KPWM为逆变器等效比例系数；Ts为惯性环节时间常数。此时，通过增加LCL并联电阻来达到增加阻尼的作用。引入并联电阻后，带阻尼LCL滤波电路的传递函数可表示为：

(6)

虚拟阻抗的思路是:通过选择不同的反馈控制变量，在算法中添加阻尼项，达到阻尼的控制效果。将并联电容电压和电流作为反馈变量引入，利用控制变量变换将并联电阻，在控制框图中以虚拟电阻的形式存在。

Gc(s)为电流控制器，利用准PR控制器提高基波增益来实现对交流电压、电流信号的无静差跟踪。

(7)

式中：ωr为谐振角频率；ωc为谐振带宽角频率。

准比例潜振(proportional resonant,PR)控制器对一定带宽谐振频率范围内的波动正弦量进行幅值积分，在谐振频率之外等同于比例环节。通过内环电流、外环电压控制，实现系统控制在精度和稳定上的协调。本文不考虑逆变器的动态特性，将逆变器等效为比例系数为KPWM的比例环节，同时通过设置内环电流控制，使得系统输出功率因素恒为1。

4 仿真分析

利用Matlab/Simulink平台搭建光伏并网及控制系统模型，并进行仿真分析。其中，光伏面板参数为：Isc=5.29，Voc=44.2 V，Im=4.95 A，Vm=35.4 V，串8并4，S=1 000 W/m2，T=25 ℃。控制系统参数为：uDC=400 V，直流侧电压控制环PI控制器参数为kP=0.5,ki=100。并网滤波器参数为：Cdc=3 000 μF，Linv=5 mH，Cf=15 μF，L2=2 mH，ω0=314 rad/s。

根据以上分析，构建光伏系统并网仿真模型及系统框图。标准条件下，T=25 ℃，S=1 000 W/m2。

为了验证本文提出最大功率跟踪方法及并网控制策略的合理性，在初始温度为25 ℃、光照在0.2 s时，由1 000 W/m2变为600 W/m2可得到最大功率跟踪曲线。光伏输出功率如图5所示。

系统能够很好的跟踪最大功率点。当光照强度突然改变时，该算法不到0.01 s就完成了最大功率追踪，且追踪过程稳定平滑，到达最大功率点后振荡损低。从图5可以看出，并网侧输出电压电流稳定速度快，光照强度改变时并网电压波形不变，并网电流迅速完成调节，具有良好的动稳态性能，符合并网要求。

图5 光伏输出功率曲线

为了验证系统电压电流的稳定性，通过配网故障来验证系统在实际情况下的运行动态。0.3 s配电网系统发生单向接地故障，造成光伏系统的电压和电流波动，在控制系统的作用下，光伏系统能够迅速恢复稳定功率输出。三相电压输出波形如图6所示。

图6 三相电压输出波形

图7给出了光伏并网系统的谐波含量。从图7中可以看出，系统的谐波满足并网要求，控制系统锁相环能够及时跟踪电网频率，实现光伏的准确并网。

图7 光伏并网谐波含量

5 结束语

本文针对现有两级三相光伏系统并网运行中存在的问题，提出了一种基于变步长电导增量法和基于电压电流双闭环控制的光伏系统并网控制策略。通过变步电导增量法动态调节升压电路系统占空比，实现光伏系统的最大功率跟踪；利用带虚拟电阻的LCL滤波电路，实现光伏并网的稳定性和谐波抑制能力。通过光伏并网仿真系统，分析所建模型的各环节运行特性。仿真结果表明，在环境因素变化情况下，利用最大功率跟踪和并网控制策略，能够实现光伏并网系统的稳定，获得满意的动态性能。同时，仿真结果也验证了本文提出光伏并网控制策略的合理性和准确性。