户用型微电网单相并网逆变器控制策略研究

赵梅花，杨文方，申亚涛，武超

(洛阳理工学院 电气工程与自动化学院，河南 洛阳，471023)

随着太阳能、风能等可再生能源的开发和利用，新能源微电网项目得到了国家的有力支持[1-3]。根据特殊地区的用电需要，户用型微电网有了飞速发展。户用型微电网能够实现并网与离网情况下的稳定运行，在脱离电网的孤岛运行情况下能保证微电网用户的可靠供电；并网运行时既能实现微电网向大电网发送功率多少的控制，也能实现对微电网发送功率性质(感性或容性)的控制，即可实现功率因数任意调节的并网运行[4]。

当微电网并网逆变器输出电压与电网电压瞬时值完全同相时，微电网才能与电网并联，且并网运行时可实现功率因数的调节[5]。本文重点研究户用型微电网单相并网逆变器并网控制策略。并网逆变器空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation，SVPWM)控制技术在三相光伏并网发电系统中已得到广泛应用[6-8]。

本文对单相逆变器并网矢量控制策略进行研究。借鉴三相光伏并网矢量控制原理，采用虚拟正交电网电压(电流)的方法，对单相并网逆变器进行SVPWM控制，提出直流母线电压、有功电流双闭环控制策略，实现并网输出有功功率和无功功率的解耦控制。搭建了户用型微电网并网运行仿真模型，对提出的控制策略进行仿真研究，仿真结果验证所提出的控制策略实现了预期控制目标。

1 户用型微电网基本结构及能量管理

图1 户用型微网系统结构图Fig.1 Structure diagram for residential micro-grid system

本项目采用如图1所示的直流微电网构架。该结构由光伏阵列、风力发电机组、蓄电池组、超级电容组、Boost变换器、双向DC/DC变换器、单相DC/AC变换器、交直流负载、系统控制与能量管理等单元组成。控制系统中各功能模块之间的协调工作由控制系统与能量管理单元实现，实现微电网系统运行控制目标。

本文从户用微电网安全可靠运行与用电经济性考虑，设计了并网逆变器及能量管理策略。实现并网、离网两种运行模式平滑切换。当逆变器交流侧与大电网联结点出现故障时，微网会自动脱离大电网，进入离网运行模式，此时由蓄能系统的充放电维持微电网内的功率平衡。当满足并网条件时再投入并网运行。本文主要研究DC/AC逆变器并网运行控制策略。

2 单相并网逆变器并网运行控制策略

微电网单相并网时只能检测到一相电网电压ug(电流ig)，要借鉴三相并网系统的矢量控制策略对其实施控制，则要虚构与电网电压ug(电流ig)同频率且相互垂直的电压电流uβ(iβ)，虚拟电压uβ与实际并网电压ug通过旋转变换及锁相环实现对电网电压的定位；虚拟电流iβ与并网实际电流ig通过旋转变换，获得逆变器输出电流有功分量id与无功分量iq，分别对id与iq实施闭环控制，实现并网逆变器输出有功功率P及无功功率Q的解耦控制，实现并网功率因数的可调。

2.1 构建电网虚拟电压(电流)

设电网电压为

ug=Ugmsinωt

(1)

当并网逆变器输出电压等于电网电压时微电网才能并入大电网，若逆变器输出电压为uα，根据并网条件则有

uα=ug=Ugmsinωt

(2)

逆变器输出电流设为iα，则有

iα=Imsinωt

(3)

式中：ω为电网电压角频率；Ugm为电网电压幅值；Im是逆变器输出电流幅值。

设虚拟变量超前实际变量π/2，则有

(4)

(5)

式(4)与式(5)的波形如图2所示。

分别对式(3)与式(4)实施旋转变换得

(6)

(7)

其中：θ为电网电压的相位角，它通过锁相环获得(如图3所示)。

图2 虚拟电压电流波形Fig.2 Waveform of virtual voltage and current

图3 单相锁相环结构图Fig.3 Structure diagram of single-phase phase-locked loop

2.2 并网逆变器并网运行控制目标及策略

微电网逆变器并网运行时，要实现两大控制目标：①实现逆变器输出功率因数的任意调节；②实现直流母线电压的稳定。

由式(7)可知，通过旋转变换，将逆变器输出电流分解为相互垂直的有功电流分量id和无功电流分量iq，实现输出有功功率P和无功功率Q的解耦控制。通过调节id来实现P的调节，调节iq来调节Q，当iq为零时，并网功率因数为1。

控制策略的实现还要考虑，微电网并入电网后稳定运行时，直流母线电压Udc必须保持稳定。

根据以上分析，本文采用直流母线电压Udc外环、有功电流id内环的双闭环有功功率控制策略；采用无功电流分量iq闭环控制实现并网逆变器输出无功功率控制(功率因数的调节)。满足控制要求的单相并网逆变器控制策略如图4所示。

图4 微电网单相并网逆变器控制框图Fig.4 Control block diagram of single-phase grid-connected inverter based micro-grid

3 单相并网逆变器并网运行控制策略仿真

搭建了Matlab/Simulink仿真模型，对图4所示控制策略进行仿真研究。仿真时直流母线电压设为400 V，滤波电感值为5 mH，仿真波形如图5～9所示。

3.1 稳态仿真波形

3.2 动态仿真波形

图5微电网并网运行稳态波形

Fig.5Steady-state waveform of grid-connected operation of micro grid

图6微电网并网运行动态波形
Fig.6Dynamic waveform of grid-connected operation of micro grid

4 结论

本文在微电网基本架构的基础上，对微电网并网逆变器DC/AC控制策略进行研究，提出基于虚拟电网电压的单相并网逆变器矢量控制策略，实现微电网并网运行时的有功功率和无功功率的解耦控制，进而实现并网功率因数的可调。仿真结果表明所提出的控制策略在稳态和动态情况下均能满足控制要求。本文提出的单相并网逆变器控制策略与现有的其它控制策略相比具有控制机理明晰，控制算法易于实现，控制性能优良等特点，所得结论具有一定的理论指导意义。