光伏系统逆变器电能的改进控制策略

薛 易， 相东昊， 闫 旭

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院, 哈尔滨 150022)

0 引 言

目前，光伏发电主要形式依然是分布型。光伏发电系统主要由光伏组件、控制器、逆变器、蓄电池及其它辅助配件组成[1]。根据是否接入电网，光伏发电系统分为并网和离网两种，后者不需要依赖电网，可以独立运行[2]。经典的控制策略没有考虑线路阻抗问题，然而实际的系统中却存在阻抗，这就导致互联逆变器之间循环功率对逆变器造成冲击，降低效率并减小逆变器的功率分配精度[3]。目前，越来越多的分布式光伏发电并入配电网，改变了配电网潮流只有单方向流动的传统模式，因而可能出现功率逆流问题[4]，从而出现并网点电压越限的现象[5]。引入比例积分电压，给定初始电压，通过PI控制环调节作用，减少电压样值与给定值间的误差，从而控制电压的输出。它是一个恒值调节系统，优点是输出可以达到无静差，快速性也满足要求[6]。不同容量逆变器的下垂特性也不尽相同。各逆变器通过调整各自的输出电压频率和幅值，使其稳定到一个新的稳定工作点，从而实现功率的合理分配[7]。如果逆变器的下垂斜率相等，则在稳定工作后，各逆变器的输出功率相等[8]。对于上述问题，笔者提出一种引入比例积分控制的控制策略，降低线路阻抗对功率分配的影响，通过Matlab/Simulink建模，结果显示具有良好的控制效果。

1 改进逆变器下垂控制策略

1.1 传统下垂控制的基本原理

分别通过有功/频率(P/F)和无功/电压(Q/V)双环控制来获得稳定的频率和电压。根据微电网的控制目标，若电源输出P0减小，通过下垂特性增加F0其中，P0和F0初始有功和频率，从而增大电源的有功P；反之亦然。由逆变器输出功率得

(1)

式中：UN——系统额定电压；

Rsi——系统等值电阻；

Xsi——系统等值电抗；

Usi——电源电压；

δsi——系统功角。

假设系统为高压电网有Xsi≫Rsi，则式(1)化简为

图1为常规逆变器下垂控制方框图。其中，K1、K2分别为有功、无功下垂系数；Ut为合成电压。

图1 常规下垂控制Fig. 1 Conventional droop control block diagram

根据图1，传统下垂控制策略公式为：

ω=ω0-K1(P1-P0),

U=U0-K2(Q1-Q0)。

常规PQ控制策略通过控制一定参数来控制逆变器的输出。在低压网络中，线路阻抗无法忽略以及系统运行时的不对称，逆变器的功率分配误差比较大，下面介绍改进PQ控制策略。

1.2 改进PQ控制策略

由有功P主要与系统频率f有关、无功Q主要与电压等级V有关，故可以将有功P与无功Q进行解耦，通过信号采集系统采集到的电压和频率来反馈逆变器输出的有功功率和无功功率[9]。微网运行时，通过锁相环SPLL技术获取系统的频率以及相位，最后通过计算功率得到电流内环的参考值Idr和Iqr。文中提出一种引入反馈电压Vd、Vq和反馈电流Id、Iq来分配逆变器的输出功率。采用上述方法可以更好地减小功率分配误差。当电网参数不平衡时，根据瞬时功率原理得：

式中：Vd、Vq——电压d、q轴分量；

Id、Iq——电流d、q轴分量。

定义如下变量：

Vd=Vsd-ωLIq-Vd0,

Vq=Vsq+ωLId-Vq0,

式中：ω——角频率；

L——滤波电感；

Vsd、Vsq——系统电压d、q分量。

Vd、Vq的精确计算公式为：

(2)

式中：Kp、Kd——d、q轴的转换系数；

Vs——电网电压；

ωs——系统角频率；

(3)

按式(3)对电网进行校正，可以有效抑制电网中的谐波。

在常规PQ控制策略的基础之上，引入比例积分电压控制环和内电流控制环，通过坐标变化，减少有功无功之间的耦合。常规潮流计算机算法得到有功无功的数值，与其给定值进行比较，可以使功率分配更加合理。通过PI补偿得到电流的参考值,在原有PQ控制策略上增加电压分量补偿三相不平衡，使逆变器输出更加稳定。改进PQ控制策略的方框图如图2所示。

图2 改进PQ控制策略Fig. 2 Improved PQ control strategy block diagram

2 改进VF控制策略

2.1 常规VF控制策略

先对常规的VF控制策略作简要介绍，传统的电流滞环控制的原理是预先设定电流与实时电流相比较后，将比较值送入控制器[10]。电压单闭环瞬时值反馈控制采用电压瞬时值给定，输出电压瞬时值反馈，对误差进行PI调节。这种调节稳态误差较大，但快速性比较理想。通过有关文献得到如下参考公式：

(4)

式中：L1、L2——逆变器侧滤波电感和电网侧滤波电感；

U1——直流侧电压；

Vc——电网运行电压。

根据电路基本原理，逆变器侧滤波电感压降为直流侧与交流侧的压差。通过非线性元件(如二极管、三极管、运放等)就可以实现交流电和直流电的叠加。

为了优化上述问题，文中提出一种引入电压电流dq变换双环瞬时控制策略，在电压单闭环的基础上引入电流内环，利用电流内环的快速性及时抑制系统波动，由电流内环对逆变器的改造，使得电压控制环大大简化。

2.2 改进VF控制策略

单个逆变器接入电网，其电流满足：

(5)

式中：A——系数，A=s3L1L2C+s2KcKpL2C+s(L1+L2)；

B——系数，B=s2L1C+sKcKpC+1-HKp；

Kp——PI控制系数。

多个(设为N)逆变器接入电网时，其电压满足

Vpcc=Vg+NsLgIg。

(6)

分析式(5)、(6)可得，多个逆变器接入电网，其电流满足

(7)

由式(7)可以看出来，逆变器的电流参考值与G、G1、Ired、Vpcc、B、Kp有关，将影响电流内环的控制性能。传递函数G的表达式为

(8)

式中：KPWM——PWM控制系数；

L——滤波电感；

Kpi、Kii——内环控制系数。

三相负载电流Iph经过Clark和Park变换得到d轴分量Id和q轴分量Iq，通过双PI线性控制缩小和降低实际值与给定值的偏差，引入d轴和q轴分量有利于消除稳态误差，提高精度。同时，引入电流内环，提高了快速性，也简化了控制环节。图3所示为引入电压电流dq变换双环瞬时控制策略方框图。

图3 电压电流dq变换双环瞬时控制策略Fig. 3 Block of voltage and current dq transform double loop instantaneous control strategy

3 改进下垂控制策略

单台逆变器到交流母线的潮流方向，如图4所示。

图4 单台逆变器潮流方向Fig. 4 Power flow chart of a single inverter

由图4可以得到如下方程：

(9)

(10)

电压模值和功率角的确定需要通过PQ解耦的方法来控制，根据式(9)和(10)可推导出附加阻感比的改进下垂控制方法：

ω-ω0=-kp(P-Pref)+rkq(Q-Qref),

U-U0=-rkp(P-Pref)-kq(Q-Qref),

式中,r——阻感比,r=R/X。

当系统中多台逆变器并联时，由基尔霍夫第一和第二定律可得多台逆变器的功率输出表达式

(11)

式中：U1——系统侧电压；

V——逆变侧电压；

φ1——功角。

式(11)忽略Z1和Z2中的电阻部分，仅考虑电抗的影响。考虑同步发电机自下垂特性，引入功率调节作用来控制逆变器输出端电压大小和频率：

ωs=ωz0-msPs,

Vs=Vz0-nsQs,

式中，ms、ns——s台逆变器输出端频率和下垂系数。

s台逆变器并联等效电路图如图5所示。

图5 逆变器并联原理Fig. 5 Inverter parallel principle

电网发生电压故障多为不对称下落故障。依据信号采样自身输出功率，通过下垂控制特性调节输出电压大小和频率变化，改进下垂控制策略通过比例积分的方法来控制，双PI控制环更有利于减小有功和频率的偏差以及无功和电压的波动，使逆变器输出电压更加稳定。图6为改进的下垂控制。其中P0、f0、Q0、V0分别为参考比较值。

4 仿真分析

为了验证文中提出的控制策略的有效性和可行性，在Matlab/Simulink实验仿真平台上搭建电力系统光伏并网逆变器模型并进行模拟验证。针对改进PQ控制策略的仿真模型参数：直流电压源50 V，交流侧相电压有效值300 V，逆变器侧电感380 μH,虑波电容45 μF，有功功率下垂常数0.3，无功功率下垂常数3，仿真时间0.1 s，最大仿真步长0.5 ，其有功无功仿真结果如图7所示，电压电流仿真结果如图8所示。

由图7可以看出，有功无功功率大约在1 ms时恢复稳定。因此，通过引入反馈电压Vd、Vq和反馈电流Id、Iq的改进PQ控制策略在很大程度上改善逆变器的功率输出。逆变器的输出有功功率为20 kW，无功功率为8 kW，有功约为输出无功的2.5倍，在一定程度上改善了二者分配功率问题，减小了有功功率、无功功率分配误差。

图7 有功无功仿真结果Fig. 7 Active and reactive power simulation results

引入反馈电压Vd、Vq和反馈电流Id、Iq，测得逆变器输出电压电流波形如图8所示。由图8可见，电压波形和电网的波形无太大差异，而电流波形约在2 ms时恢复稳定，电压电流波形都近似于正弦波，因此改进PQ控制策略没有污染电网的电能质量，恰恰在常规PQ控制策略上通过加入电压分量补偿三相不平衡，使逆变器输出电压的波形没有畸变，增加电流分量使得电流输出更加稳定。因此，文中提出的改进PQ控制策略得到了较好的控制效果。

图8 电压电流仿真结果Fig. 8 Voltage and current simulation results

改进VF控制策略在相同参数下，通过Matlab/Simulink仿真得到的功率和电压电流结果如图9和10所示。改进VF控制策略引入d轴和q轴分量与给定值比较，输出电压及时反馈，两者误差通过PI调节，使电压电流输出波形更加平缓。这一方法极大提高了逆变器输出电压的稳定性，减小了光伏并网对系统的冲击。

图9 改进VF控制策略功率波形Fig. 9 Improved VF control strategy power waveform

电流内环能够抑制系统波动，还能简化控制环节，使逆变器对功率波动做出快速反应，有功功率为110 kW，无功功率为1 kW，有利于功率的合理分配，提高系统的功率因数和逆变器的效率。电压电流dq变换双环瞬时控制策略，电流作为内环，电压作为外环，外环功能的实现依赖于内环的优化。外环对电压的控制，如图10所示。

图10 改进VF控制策略电压电流波形 Fig. 10 Improved VF control strategy voltage current waveform

电网交流侧用三相交流电源模拟，下垂控制策略通过PQ解耦的方法，减小了电压电流的波动，使其输出系统所需的正弦波形，功率的骤增也能够得到有效控制。改进控制策略的模型参数：直流电源600 V，交流侧电压有效值300 V，开关频率10 kHz，直流测电容45 μF，滤波电感380 μH，下垂控制系数0.06，附加阻感比4。

改进下垂控制策略引入阻感比和双环PI比例积分控制使得电压电流和功率输出更加稳定，如图11和12所示。电流在0.01 s左右偏离额定值，通过控制调整稳定在400 A附近；有功功率和无功功率基本同时在8 ms骤升至200 kW，由比例控制调节后，功率稳定在100 kW左右。有功功率和无功功率数值比较接近，改善了二者的分配比例。逆变器输出有功功率，并维持一定的无功功率，使电压的波形得到改善，具有良好的调压效果。改善有功分配，负荷波动减小，使电流波形接近正弦。

图11 改进下垂控制策略电压电流仿真结果Fig. 11 Voltage and current simulation results of improved droop control strategy

图12 功率仿真结果Fig. 12 Power simulation results

5 结束语

针对常规PQ、VF、下垂控制策略的不足，提出一种改进控制策略。文中提出的改进控制策略主要基于引入反馈电压、 电流，PQ解耦，阻抗比，电压电流dq变换双环瞬时控制的方法。最后通过Matlab/Sinmulink实验仿真平台进行验证。仿真结果表明，改进PQ、VF、下垂控制策略极大改善了光伏并网逆变器的电压电流波动和有功功率无功功率分布不均的问题，证明了本控制策略具有较好的控制效果，为光伏并网提供了一定的理论基础。