微网光伏双模式逆变器双环控制策略研究

李献忠, 郭朝令, 郭国庆

(郑州电力高等专科学校,河南 郑州 450007)

随着传统能源的枯竭，可再生能源开发与利用不断增加，国际可再生能源署发布了《全球能源转型：2050年路线图》(2019版)，按照基于可再生能源技术的低碳技术路径，到2050年，可再生发电总量将增加7倍,在一次能源供应中的占比将上升到66%，其中约有86%来源于可再生能源发电，到2050年，太阳能发电装机容量约为8500 GW[1],新能源微网系统将在电力系统中占据越来越重要的位置。为了使微网系统能适用实际电网扰动和孤岛工况，要求能并网/离网运行且具有较好切换能力，因此，双模式逆变器控制研究具有广阔的前景[2-4]。文献[5]双模控制系统中并网模式下采用电感电流单环控制，造成系统谐波大。文献[6-7]利用检测并网开关运行情况过渡算法来实现离网/并网平滑切换，存在电压电流突变。文献[2，8]采用并网模式下并网电流单环控制，与双环相比存在电压电流突变，谐波含量大，系统抗干扰能力差等问题。

针对上述存在的问题，本文结合并网/离网模式的独立运行控制特点,提出了双模式逆变器在电网基波频率同步旋转坐标系下双环控制策略。当系统并网时采用直流母线电压外环电流内环实现对单位功率因素的控制策略，系统在离网模式时采用电容电压外环电感电流内环控制策略。为实现双模式无缝切换，采取电流控制离网运行模式，并由于数字控制器(digital signal processing,DSP)的出现[6]，为双模式平滑切换提供了方便。

1 三相光伏双模式逆变器控制策略

图1为三相双模式逆变器主电路拓扑结构，主要由三相PWM逆变器、LC滤波电路、逆变输出侧等效阻抗Z，重要负载等组成，逆变系统与公共电网之间通过并网静态开关连接[9]。

图1 三相双模式逆变器主电路

根据该双模式逆变器系统工况，有并网模式、离网模式以及并网/离网切换过程3个工作状态。大电网正常运行时光伏系统工作于并网模式，此时并网静态开关处于闭合状态，逆变系统一般采用电流控制，此时逆变器相当于电流源，与电压控制相比，具有不易出现环流的特点。当实际电网出现故障或系统需要调度时，并网静态开关断开，逆变系统运行于离网模式，一般采用电压控制[2]，此时逆变器作为一个电压源，输出稳定的电压能够满足负载电压需求。当逆变器需要在两种模式切换时，为减小系统产生很大的电压电流冲击，需作到无缝切换[7]。

1.1 离网模式逆变控制策略

当检测到逆变器输出电流与电网的频率、相位不一致，断开静态开关，系统运行于离网模式，其三相电压型无源逆变电路的结构如图2所示。

图2 三相无源逆变器主电路

图2中参数表示意义与图1一致，其中逆变侧输出电压V，滤波电感L上的电流i，负载电压VL1，负载电流iL1，对L、C列写方程，得到式(1)[8]：

考虑三相对称平衡性，根据坐标变换规律，推出离网两相同步旋转坐标系下的电压、电流状态方程：

从式(2)可以看出这是一个强耦合系统，d、q轴上参数会产生相互影响[9],可通过解耦控制消除相互之间耦合的影响。图3为电压电流双环控制系统结构。

图3 离网双环控制

1.2 并网模式逆变控制策略

对三相电压型PWM有源逆变器建模，由文献[12]可知，在系统稳态情况下，旋转坐标系下的id、iq均为直流量。为了将中间直流母线电压和网侧电流控制在给定值，设eq=0，本系统采用同步旋转坐标系下基于PI调节器的电压矢量跟踪电流控制策略，如图4所示。

图4 并网双环控制

1.3 并网/离网双模式切换

由于模态切换动作与并网或者离网开关动作可能不一致，在系统切换中存在两个状态：电压控制并网运行和电流控制离网运行。若以电压控制并网作为切换过程状态，将会与电网构成环流[10]，所以在系统切换过程中一般采用电流控制离网状态来实现模式平滑切换。

以离网模式转为并网模式过程为例：并网前应检测电网电压是否满足并网要求，然后再调整逆变器的输出电流是否与电网电压同频同相。调整过程中逆变系统从电压控制运行切换为电流控制运行，此时检测负载电流，调节并网电流的参考值等于负载电流，由于过零点时电压幅值很小，在电网电压过零点时合上并网开关，将减少电压冲击，再一次检测逆变器的输出电流是否与电网电压同频同相，最后与电网电压锁相。图5为两种模态切换的工作流程。

(a)离网切换到并网流程

(b)并网切换到离网流程

2 仿真结果分析

设定初始条件：设计9 kW光伏逆变器,逆变器输入端电压udc=700 V，电网电压380 V AC；逆变器开关频率10 Hz；额定输出相电流13 A RMS(root mean square)；并网电流基波频率为50 Hz；本地负载为10 kΩ的纯阻性负载；电流环PI调节器的参数Kip=20，Kii=0.1。电压环PI调节器的参数Kvi=10，Kvp=0.1；运用Matlab/Simulink软件建立仿真模型，设置仿真时间为0.25 s，算法采用ode 23 s[13]，采样时间(5×10-7)s。

2.1 逆变系统从离网到并网切换

离网切换到并网模式时的波形见图6。

(a)电网电压波形

(b)逆变器输出电流波形

(c) 电网电流波形

(d) 谐波分布

从图6中可以看出，逆变器在离网模式时，系统输出电压电流波形稳定，当运行于0.15 s时，逆变器从离网模式平滑切换到并网模式，输出电压波形稳定，如图6(a)所示。逆变器输出电流在切换点附近，有少量的冲击电流产生，只是在切换点附近有毛刺，如图6(b)所示。电网电流从0变成额定值，平滑地过渡到电网电流，并在2个工频周期内完成与电网电压锁相，如图6(c)所示。并通过图6(d)中谐波分布显示可知，THD=4.33%，满足并网质量要求。

2.2 逆变系统从并网到离网切换

从图7中可以看出，逆变器在并网模式时，能实现单位功率因数并网，且谐波含量少；当系统在0.15 s时，逆变器从并网模式切换到离网模式，电网电压和逆变器输出电流波形不变化，只是在切换点附近有少许毛刺，并在2个工频周期内系统达到稳定。

(a)电网电压波形

(b)逆变器输出电流波形

3 结 论

针对光伏系统并网单环控制及并网/离网切换过程中，易产生电压电流突变，谐波含量高，抗干扰能力差等问题，提出了微网光伏双模式逆变器双环控制策略和无缝切换控制方法。仿真结果表明，逆变器在并网模式时能实现单位功率因数并网，谐波少，提高了电能的质量；逆变器在离网模式时能给重要负载稳定供电；离网切换到并网时有效减小了电压电流冲击，而且逆变器输出电流能在2个工频周期内完成电网电压的锁相，达到并网要求；并网切换到离网时，逆变器输出电压由电网电压平滑地过渡到负载电压给定值，能够实现无缝切换。整个系统控制策略方案可行，运行可靠性高。