一种改进的光伏并网逆变器双闭环控制策略

郑伟强，高长伟，郑炜亮，李润生，杨林，王逢春

（1.辽宁营口供电公司，辽宁 营口 115002；2.辽宁科技学院电气与信息工程学院，辽宁 本溪 117004；3.辽宁省电力有限公司技能培训中心，辽宁 锦州 121000）

0 引言

开发利用可再生能源是解决能源与环境问题的有效途径。太阳能是典型的绿色可再生能源，具有蕴藏量巨大、不受地域限制等优点。光伏发电是太阳能开发利用的一种重要方式，近年来受到了世界各国的普遍关注，但光伏发电系统易受环境条件影响，其源端功率输出呈现一定的不确定性，不利于实现源、网、荷功率匹配与系统稳定控制[1]～[3]。典型的两级式光伏并网发电系统通常利用前级DC/DC变换装置将光伏源端输出电压转换为相对稳定的直流电压输出，然后再经过后级DC/AC环节并入公共电网[4]，[5]。作为太阳能光伏发电系统与电网互连的关键接口装置，并网逆变器及其控制策略直接决定了系统并网运行的安全性与可靠性，因此逆变器控制策略的研究对于光伏并网发电系统是十分重要的[6]～[9]。

常见的光伏并网逆变器控制策略主要包括PID控制、电压电流双环控制、重复控制和VSG控制等[10]，[11]。在上述典型控制策略中，VSG控制是一种新兴控制策略，它能够使分布式逆变电源在一定程度上呈现出传统同步发电机所具备的旋转惯性与阻尼特性[12]～[14]。然而，VSG控制策略的实施往往须要给光伏发电系统配备一定容量的储能装置，从而提高了系统的初次投资与运行维护费用，制约其进一步的推广应用。目前，基于电压外环与电流内环的双闭环控制仍是高性能光伏逆变电源运行控制策略的发展方向之一[15]～[17]。该控制方案的具体实施不受系统储能容量影响。典型的电流内环控制环节普遍采用滤波电感电流控制，基于该控制策略的光伏并网逆变器虽然具有较快的动态响应速度与较强的负载能力，但其控制效果易受电网电压波动的影响。

针对基于电压外环与电流内环的双闭环控制策略存在的缺陷，本文提出一种改进的光伏并网逆变器双闭环控制策略。外环是以控制直流母线电压稳定为目的的直流电压控制环节；内环在实施滤波电感电流控制的基础之上引入了电网电压前馈补偿环节，提出一种电感电流实时反馈与电网电压前馈补偿的复合控制方式，以此抑制电网电压波动给系统带来的扰动。相关实验结果验证了改进控制策略的可行性与有效性。

1 光伏源端输出特性分析

光伏源端功率输出呈现一定的不确定性，当光伏电池受光照射时，其输出电流以指数规律随电压变化。若将光伏源端等效为电流源，还须要考虑串联等效电阻Rs、并联电阻Rsh和分布电容C0等因素的影响。光伏电池等效电路如图1所示。图中：Iph为光生电流；I与U分别为光伏电池输出电流与端电压。

图1 光伏电池等效电路Fig.1 Equivalent circuit of photovoltaic cell

式中：ΔI，ΔU为光伏电池输出电流与端电压变化量；ΔT为电池表面温度变化量；a，b分别为光伏电池电流变化温度系数和电压变化温度系数；S，Sref分别为实际光照强度、参考光照强度（1 000 W/m2）；T，Tref分别为实际温度和参考温度（298 K）。

综上所述，基于式（2）～（8）即可利用光伏电池铭牌参数对光伏源端实时输出特性进行分析。设定光伏电池相关参数：开路电压Uoc=38.8 V、短路电流Isc=5.32 A、最大输出电压Um=36.5 V、最大输出电流Im=4.65 A。当环境温度为298 K时，在不同光照条件下，光伏电池源端输出特性如图2所示。

图2 不同光照强度下光伏电池源端输出特性Fig.2 Output characteristics of photovoltaic battery under different light intensity

2 并网逆变器的双闭环控制策略

由图2可见，光伏源端输出功率受光伏电池表面光照强度的影响。两级式并网光伏发电系统前级DC/DC环节通常采用MPPT控制，以提高系统发电效率，并尽量保持直流母线电压恒定。目前，光伏MPPT控制技术发展得较为成熟。本文以应用最为广泛的经典扰动观察法作为两级式光伏发电系统前级DC/DC环节控制策略，后级DC/AC环节采用一种基于电网电压前馈补偿的改进双闭环控制策略对并网逆变器实施控制。

2.1 直流电压外环控制

直流电压外环控制可通过控制逆变器并网输送功率来实现直流母线电压调节，达到维持并网逆变器直流母线电压恒定的控制效果，实现能量的稳定转换。由系统功率守恒可得：

图3 电压外环控制图Fig.3 The control diagram of outer-loop

外环控制的目标为直流母线电压准确跟踪参考电压Uref保持恒定。当光伏并网发电系统调度功率需求小于光伏源端供给功率时，直流稳压电容充电，存储部分盈余能量，直流母线电压上升；当光伏并网发电系统调度功率需求大于光伏源端供给功率时，直流稳压电容放电，释放存储的能量，直流母线电压下降。可见，通过控制直流稳压电容的电压就可以达到控制光伏电池供给功率与并网调度功率需求的相互平衡。

电压外环采取比例积分（PI）控制，经过比例调节与滤波环节，将直流母线电压实时检测值与指令电压Uref的偏差作为电流内环控制环节的参考电流。

2.2 电感滤波电流内环控制

图4为依据SPWM控制基本原理所作的光伏并网逆变器控制框图。将给定的并网电流指令值与光伏并网逆变器输出电流实时检测值之差经过比例积分（PI）控制环节调节后，再与三角载波进行比较，并向并网逆变器的电力电子开关器件送出触发脉冲。

图4 逆变器控制框图Fig.4 The open-loop control block diagram of inverter

3 电网电压前馈补偿控制环节的引入

基于上述光伏并网发电控制思路，SPWM触发脉冲将并网逆变器实时输出电流检测值与给定的电流指令值进行比较，经PI控制器调节后得到其偏差。利用SPWM触发信号控制电力电子开关器件的开通与关断，即可实现光伏并网逆变器输出电流准确地跟随指令电流。SPWM控制具有一定的谐波抑制能力，但对于与三角载波频率相同的谐波分量作用甚微。当电网电压幅值很高时，其波动对光伏逆变器并网控制系统扰动明显，其作用不容忽略。为避免电网电压波动对逆变器并网控制的不良影响，可在电流内环控制环节中引入电网电压前馈补偿环节。

引入电网电压前馈补偿后的电流内环控制框图如图5所示。其中：Iref为给定的并网电流指令值；IL为经滤波电路后的光伏并网逆变器实际输出电流；G1（s）为网侧滤波环节；G2（s）为光伏并网逆变器；G3（s）为PI控制器；G4（s）为增加的电网电压馈入环节。

图5 具有电网电压前馈闭环控制框图Fig.5 The closed-loop control block diagram based on the feed-forward of grid voltage

综上所述，采取电网电压前馈补偿措施之后，并网逆变器控制系统抑制电网电压扰动的能力有明显提升。

4 实时仿真实验

为验证上述控制策略的正确性与有效性，基于RT-LAB实时仿真实验平台，搭建如图6所示的两级式光伏并网发电控制系统。该系统主要由上位机、以DSP28335为核心的控制器、HBUREP-100型实时仿真机和数字存储示波器组成。前级DC/DC环节主电路采用典型的Boost升压电路，利用经典的扰动观察法对太阳能光伏电池阵列进行MPPT控制。后级DC/AC环节主电路为全桥逆变电路，采用本文所提出的基于电网电压前馈补偿的双闭环控制策略对光伏并网逆变器实施控制，将其输出的交流电并入工频电网。最后，通过模型编译生成C代码的方式载入实时仿真机中运行。

图6 两级式光伏并网发电系统控制结构Fig.6 The control structure of two-level grid-connected photovoltaic generation system

以M×N光伏阵列（M与N分别为光伏电池组件串、并联数）为例，对光伏阵列表面光照强度发生变化的典型工况条件下的光伏发电系统控制效果进行实时仿真实验分析。光伏阵列参数如表1所示。

表1 光伏阵列参数设置Table 1 The parameters of PV array

在0.2 s时，光照强度由1 000 W/m2降低为400 W/m2，光伏并网发电系统的动态输出特性如图7～10所示。

图7为光照强度发生变化时逆变器的直流母线电压。由图7可见，在系统启动及光照强度发生变化过程中，0.1 s左右即可完成前级MPPT控制。当光照强度突然发生变化时，直流母线电压经短暂的波动后，仍然能够维持在500 V以上，系统在满足动态响应要求的基础上,保证了直流母线电压的持续稳定。

图7 光照强度发生变化时直流母线电压Fig.7 Voltage of the DC bus when solar radiation intensity changes

光照强度发生变化前后并网电压与并网电流波形如图8所示。由图8可见，当外界光照强度突然变化时，由于电网电压的钳制作用，并网逆变器的输出电压基本维持恒定。在经过0.05 s的瞬时波动后，并网电流能够迅速趋于稳定值，且满足相位与频率要求。

图8 光照强度发生变化时并网电压与并网电流Fig.8 The voltage and current of the system when solar radiation intensity changes

当光照强度发生变化时，并网有功功率与无功功率波形如图9所示。由图9可见，光伏发电系统输出功率经过短暂的波动后迅速趋于稳定。在逆变器并网运行的起始阶段，光伏并网发电系统换流装置须从电网吸收一定的无功功率，因此在其暂态过程中会产生比较明显的无功功率波动。大约经过0.1 s的动态调整之后，无功功率趋于稳定，并且恒定为0，表明并网光伏发电系统具有良好的运行稳定性。

图9 光照强度发生变化时并网有功功率与无功功率Fig.9 The active power and reactive power of the system when solar radiation intensity changes

光照强度发生变化时，光伏并网发电系统频率波形如图10所示。由图10可见，系统频率波动在±0.1 Hz以内，频率质量优良，满足电力系统电能质量要求。

图10 光照强度发生变化时光伏并网发电系统频率Fig.10 The frequency of the system when solar radiation intensity changes

5 结束语

根据本文提出的基于电网电压前馈补偿的光伏并网逆变器双闭环控制策略，设计了光伏并网逆变器运行控制系统。以典型的两级式光伏并网发电系统为控制对象，前级DC/DC环节采用经典的扰动观察法作为MPPT控制策略，后级DC/AC环节采用本文所提出的双闭环控制策略实施并网控制。实验结果表明，采用本文所提出的改进双闭环控制策略，当光照强度发生变化时，光伏发电系统并网运行状态良好，验证了所提出控制策略的正确性与有效性。