葉 青

（上海電力新能源發(fā)展有限公司，上海200010）

0 引言

隨著分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電不再只是集中電站并網(wǎng)的形式，越來(lái)越多的分布式光伏發(fā)電接入電網(wǎng)中。為推動(dòng)分布式發(fā)電的應(yīng)用，國(guó)家發(fā)展改革委2013年印發(fā)關(guān)于《分布式發(fā)電管理暫行辦法》，提出對(duì)于分布式發(fā)電，電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)提供并網(wǎng)服務(wù)，政府給予一定補(bǔ)貼等規(guī)定。2～5kW 小型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)將會(huì)成為未來(lái)光伏發(fā)電的主流，而并網(wǎng)逆變器是發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備。

本文針對(duì)分布式發(fā)電的特點(diǎn)，提出一種多端口輸入的新型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可同時(shí)接入兩路光伏發(fā)電單元和一路儲(chǔ)能單元，并給出了逆變器的整體硬件結(jié)構(gòu)，對(duì)其控制策略進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。在理論研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，理論正確可行，多端口逆變器能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)于分布式發(fā)電系統(tǒng)的管理，能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)、離網(wǎng)、PQ 可調(diào)節(jié)三種工作模式，操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。

1 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

分布式發(fā)電中用的并網(wǎng)逆變器特點(diǎn)是功率等級(jí)小，但集成的功能較多，較傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器更智能。本文設(shè)計(jì)的逆變器可接入兩路獨(dú)立的光伏發(fā)電單元和一路儲(chǔ)能單元，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

這里設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，光伏電池板的電壓一般在150～300V 左右，儲(chǔ)能蓄電池系統(tǒng)的電壓一般在45～65V 左右。逆變器主要由四部分組成：兩個(gè)BOOST升壓DC/DC 變換器，用來(lái)接兩路獨(dú)立的光伏發(fā)電，實(shí)現(xiàn)升壓、MPPT 等功能；一個(gè)雙向DC/DC 變換電路，采用DAB 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)升、降壓和對(duì)于蓄電池的充放電，通過(guò)對(duì)電池的充放電兼顧穩(wěn)定直流BUS電壓等功能；一個(gè)單相逆變電路，采用H 橋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)、離網(wǎng)、PQ 可調(diào)節(jié)等功能。

2 逆變器整體控制策略

2.1 并網(wǎng)模式控制策略

在并網(wǎng)工作模式下，要求光伏電池板輸出最大功率，電池盡量保持電量充足，系統(tǒng)發(fā)出的有功功率并入電網(wǎng)中。此時(shí)，兩個(gè)BOOST 電路都工作在MPPT 策略模式，其控制框圖如圖2所示。

圖2 BOOST 電壓的MPPT 控制框圖

DAB在蓄電池電量充足的情況下，工作在熱待機(jī)狀態(tài)；在蓄電池電量不足的情況下，工作在適當(dāng)?shù)某潆姞顟B(tài)。圖3 為DAB在并網(wǎng)模式下的控制框圖。

圖3 并網(wǎng)模式DAB控制框圖

為保證直流BUS電壓的穩(wěn)定，同時(shí)將逆變器系統(tǒng)的發(fā)電功率并入電網(wǎng)，H 橋電路采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的控制策略，控制框圖如圖4所示。

圖4 并網(wǎng)模式H 橋電路控制框圖

2.2 離網(wǎng)模式控制策略

在離網(wǎng)模式下，要求逆變器為一個(gè)獨(dú)立的電壓源，所以輸出功率的大小無(wú)法控制。H 橋要負(fù)責(zé)控制輸出電壓為220V、50Hz的正弦波，其電壓外環(huán)的給定由原來(lái)的直流電壓改成交流輸出電壓。具體控制框圖如圖5所示。

圖5 離網(wǎng)模式H 橋電路控制框圖

H 橋要控制輸出電壓，所以直流BUS 電壓的穩(wěn)定不能再由H 橋電路負(fù)責(zé)，這里用DAB電路通過(guò)對(duì)電池的充放電，來(lái)穩(wěn)定直流BUS電壓。圖6是離網(wǎng)模式下DAB電路的控制策略框圖。

圖6 離網(wǎng)模式DAB控制框圖

電池電量過(guò)高，光伏電池板發(fā)電功率大于獨(dú)立模式下負(fù)載的功率時(shí)，BOOST 選擇棄光，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。電池電量過(guò)低，只能根據(jù)用戶的不同選擇，停機(jī)或減小逆變器系統(tǒng)所帶負(fù)載，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 PQ 可調(diào)度模式控制策略

整個(gè)逆變器系統(tǒng)作為一個(gè)微電源接入電網(wǎng)時(shí)，為保證和諧地接入，要求逆變器系統(tǒng)可以工作在PQ 可調(diào)度模式。逆變器要按PQ 指令輸出功率，不能穩(wěn)定直流BUS電壓。所以，這種情況下，H 橋的外環(huán)指令來(lái)源于PQ 給定值，其控制框圖如圖7所示。

圖7 PQ 可調(diào)度模式H 橋電路控制框圖

這種情況下H 橋電路仍然不能穩(wěn)定直流BUS電壓，所以還是由DAB通過(guò)控制電池的充放電來(lái)穩(wěn)定直流BUS電壓，其控制框圖如圖8所示。

圖8 PQ 可調(diào)度模式DAB控制框圖

電池電量過(guò)高時(shí)，DAB 不能再進(jìn)行對(duì)蓄電池的充電操作，光伏電池板發(fā)電功率大于PQ 調(diào)試指令的給定值時(shí)，BOOST選擇棄光，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。電池電量過(guò)低，DAB 不能再進(jìn)行對(duì)蓄電池放電的操作，只能根據(jù)用戶的不同選擇，停機(jī)或減小PQ 調(diào)度指令，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3 數(shù)字控制系統(tǒng)的分層實(shí)現(xiàn)方法

智能逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)三套DSP核心控制板，兩個(gè)BOOST電路一套，DAB一套，H 橋逆變電路一套。針對(duì)不同的工作模式，各單元的分工不同，選擇的控制策略也不同。為達(dá)到通訊速度要求，這里設(shè)計(jì)將模式選擇和模式切換的控制寫在上位機(jī)控制屏的組態(tài)軟件中，上位機(jī)提供整個(gè)逆變器系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，并通過(guò)485通訊方式與各單元連接。人工選擇工作模式通過(guò)控制屏下達(dá)給逆變器各個(gè)單元的DSP控制核心控制板，而每個(gè)模式下電力電子控制算法則直接在各單位自己的DSP 控制器中。不同模式下控制算法所要檢測(cè)的量也全部能通過(guò)檢測(cè)電路的方式將信息傳到DSP中，以保證處理速度。智能逆變器系統(tǒng)分層控制圖如圖9所示。

圖9 分層控制示意框圖

4 仿真結(jié)果與仿真波形分析

在理論研究的基礎(chǔ)上，為驗(yàn)證算法的正確性，在Matlab/Simulink 2012b平臺(tái)上對(duì)整體智能逆變器系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。下面對(duì)仿真波形進(jìn)行說(shuō)明分析。

圖10為逆變器系統(tǒng)在沒(méi)有和大電網(wǎng)連接的情況下運(yùn)行，帶3kW 左右阻性負(fù)載的仿真波形。

圖10 離網(wǎng)模式仿真波形

其中幅值較大的為電壓波形，幅值較小的為電流波形。由電壓波形可以看出智能逆變器在作為電壓源輸出的時(shí)候，輸出電壓可以達(dá)到穩(wěn)定有效值220V、頻率50Hz的要求。

圖11為并網(wǎng)模式下，逆變器系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、電流波形，可以看出電流的大小在逆變器啟動(dòng)的前幾個(gè)周期有一定波動(dòng)。這是因?yàn)锽OOST 電路在啟動(dòng)的前幾個(gè)周期MPPT 算法的調(diào)節(jié)過(guò)程使得直流電壓波動(dòng)較快，H 橋?yàn)榉€(wěn)定直流電壓，輸出的電流有一定的波動(dòng)，在幾個(gè)周期后達(dá)到穩(wěn)定?？梢钥闯瞿孀兤髡w向電網(wǎng)輸出的電流不斷增大，到最大功率點(diǎn)后達(dá)到穩(wěn)定。功率因數(shù)為1，波形畸變很小。

圖12為PQ 可調(diào)度模式下逆變器并網(wǎng)點(diǎn)輸出的電壓、電流波形，指令給定為有功功率3kW、無(wú)功功率2kW，可以看出，輸出功率與調(diào)度指令相符。

圖12 PQ 可調(diào)度模式仿真波形

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)波形分析

在理論和仿真的研究基礎(chǔ)上，搭建了一個(gè)5kVA 級(jí)別的智能逆變器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。光伏電池板用GSS可編程直流電源模擬，蓄電池采用48 V、120 Ah 的鋰電池，控制器均采用DSP28335，上位機(jī)控制屏采用昆侖通態(tài)的TPC7062K。圖13～15分別給出了三種模式下逆變器運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)波形，可以看出逆變器的功能基本實(shí)現(xiàn)，證明了理論的正確性和可行性。

6 總結(jié)與展望

針對(duì)分布式發(fā)電的特點(diǎn)，本文提出了一種應(yīng)用于戶用小功率發(fā)電系統(tǒng)中的智能逆變器，實(shí)現(xiàn)了逆變器的多端口接入功能，可同時(shí)接入兩路光伏發(fā)電和一路儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)、離網(wǎng)、PQ 可調(diào)度三種工作模式。文中給出了詳細(xì)的理論推導(dǎo)和控制策略的說(shuō)明，并對(duì)整個(gè)逆變器系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的說(shuō)明和分析，驗(yàn)證了理論的正確性和可行性。

圖13 離網(wǎng)模式實(shí)驗(yàn)波形

圖14 并網(wǎng)模式實(shí)驗(yàn)波形

圖15 PQ 可調(diào)度模式實(shí)驗(yàn)波形

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的驗(yàn)證，證明了三種模式的控制理論的正確性，同時(shí)在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了新的問(wèn)題。比如，在獨(dú)立模式運(yùn)行的時(shí)候，帶容性負(fù)載和感性負(fù)載的比例過(guò)大時(shí)會(huì)發(fā)生電壓控制不穩(wěn)定的情況。下一步可以對(duì)逆變器獨(dú)立運(yùn)行時(shí)帶不同負(fù)載的能力進(jìn)行深入研究。

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