吳小雅

(廣東電網(wǎng)有限責任公司肇慶供電局，廣東 肇慶 526000)

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基于瞬時電流跟蹤的三相光伏逆變器并網(wǎng)控制策略研究

吳小雅

(廣東電網(wǎng)有限責任公司肇慶供電局，廣東 肇慶 526000)

摘要：在分析光伏逆變器交直流側(cè)的能量傳遞關(guān)系基礎(chǔ)上，提出一種基于瞬時電流跟蹤方式的并網(wǎng)控制策略。該策略的功率外環(huán)考慮到了光伏方陣模塊的功率變化及直流電容器的充放電過程等因素，內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)電流控制的方式對參考電流進行跟蹤，具有電流諧波小、響應速度快、控制參數(shù)容易整定等優(yōu)點；同時給出了光伏逆變器的啟動控制策略，防止啟動電流過大損壞功率開關(guān)器件。最后在PSCAD/EMTDC中建立了三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，數(shù)字仿真驗證了以上控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：光伏；三相逆變器；滯環(huán)電流控制；啟動控制；PSCAD/EMTDC

隨著人們對能源危機和環(huán)境保護等問題的重視，以太陽能利用為基礎(chǔ)的光伏發(fā)電系統(tǒng)得到了廣泛應用。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏方陣模塊、三相逆變器、電網(wǎng)等部分[1]。三相光伏逆變器的并網(wǎng)控制策略是光伏發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，國內(nèi)外提出了很多的控制方案。文獻[2]采用了電壓電流雙閉環(huán)控制策略，瞬時電流的跟蹤采用基于三角載波的正弦脈寬調(diào)制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)方式實現(xiàn)，沒有考慮到光伏電池的輸出功率隨外在因素變化的問題，且電流跟蹤慢。文獻[3]提出了單相光伏逆變器中基于電流的比例積分(proportional plus integral，PI)控制策略，但沒有討論系統(tǒng)外環(huán)控制的問題，沒有推廣到三相系統(tǒng)中。文獻[4]指出光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電壓源逆變器采用電流控制方式優(yōu)于電壓控制方式，說明了功率外環(huán)代替電壓外環(huán)的必要性，但沒有考慮逆變器直流側(cè)電容充放電的影響。文獻[5-6]采用了電流dq解耦控制算法，能對光伏逆變器有功和無功進行獨立控制，但該算法存在控制參數(shù)整定難、電流響應速度不夠快等缺點。文獻[7-9]采用了比較先進的無差拍電流解耦控制算法，可以減少逆變器輸出電流畸變率，加快電流響應速度，但該算法建立在精確電路模型和狀態(tài)觀測器的基礎(chǔ)上，對主電路參數(shù)的依賴程度比較高。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，提出了一種改進的三相光伏逆變器的控制策略，考慮了光伏電池的功率變化對逆變器輸出有功功率的影響以及直流側(cè)電容的充放電問題，同時給出了啟動控制方案。

1系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

光伏方陣模塊的U-I特性曲線如圖1所示，在討論光伏逆變器的控制策略時，可以將之等效為受控電流源[10]，其輸出的電流受外部電壓的影響，系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　光伏方陣模塊的U-I特性曲線

PCC為公共連接點，point of common coupling的縮寫；A、B、C均為光伏逆變器的交流側(cè)電氣連接點；P和N分別為光伏逆變器直流側(cè)正極和負極。圖2　三相逆變器電路結(jié)構(gòu)

(1)

(2)

2三相光伏逆變器控制策略

1.1功率外環(huán)

PLL為鎖相環(huán)，phase locked loop的縮寫；us,abc為公共連接點處電壓。圖3　功率外環(huán)控制框圖

1.2電流內(nèi)環(huán)

圖4　電流內(nèi)環(huán)控制框圖

3光伏逆變器啟動控制策略

光伏逆變器的啟動過程為：向逆變器的直流電容器充電，使其達到一定的電壓水平，從而使光伏方陣能夠工作在最大功率點附近，向外提供有功功率。而在直流電容器電壓未達到一定水平之前，充電功率只能靠系統(tǒng)側(cè)倒送提供。由于交流側(cè)的等效電阻非常小，若直接將各功率開關(guān)器件封鎖，通過反向二極管整流方式對直流電容充電，則充電電流會非常大，很可能損壞開關(guān)管。為了限制充電電流，本文采用串電阻啟動方式，如圖5所示，即在交流側(cè)串接一個限流電阻，在啟動過程中，將斷路器QF斷開，使限流電阻處于工作狀態(tài)，交流系統(tǒng)通過限流電阻對電容器進行充電，當啟動過程結(jié)束時，將QF合上。

圖5　串電阻啟動

4仿真驗證

為了驗證以上控制策略的有效性，在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型，主電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，光伏方陣模塊由光伏組件串并聯(lián)模擬[15]。表1為輻照度、溫度變化下光伏方陣最大功率運行點參數(shù)理論值。

表1光伏方陣最大功率運行點參數(shù)理論值

項目數(shù)值溫度/℃252520輻照度/(W·m-2)1000750750最大功率點電壓/kV0.9130.8960.918最大功率點電流/kA0.6000.4500.424最大功率/MW0.5480.4040.389

圖6為光伏逆變器輸出的電壓和電流波形(為便于比較，電壓值放大了10倍)。

圖6　逆變器輸出電壓和電流波形(25 ℃,1 000 W/m2)

由圖6可以看出，正常工作時光伏逆變器輸出的電壓和電流很好地保持了同步，光伏逆變器的功率因數(shù)基本接近1.0。

圖7為逆變器輸出電流經(jīng)過FFT分析后得到的幅頻特性，進一步計算得到逆變器輸出電流總諧波系數(shù)為4%，從而驗證了以上控制策略具有良好的諧波特性。

圖7　逆變器輸出電流的幅頻特性(25 ℃,1 000 W/m2)

圖8為并網(wǎng)逆變器輸出的有功功率和無功功率波形，在t=1.0 s時，逆變器輸出的有功功率因輻照度減少而減小；在t=2.0 s時，逆變器輸出的有功功率因溫度降低而減小。說明當光伏方陣因輻照度、溫度等外部因素輸出有功功率發(fā)生變化時(見表1)，光伏逆變器的輸出有功功率能夠及時做出相應的調(diào)整，而無功功率不受影響，仍保持為零。

圖8　逆變器輸出有功功率和無功功率波形

圖9為直流側(cè)電容電壓波形。從圖9可以看出，當光伏方陣因輻照度、溫度等外部因素發(fā)生變化時，光伏逆變器控制系統(tǒng)能使直流側(cè)電壓快速地跟隨最大功率點電壓理論值，整個系統(tǒng)仍保持穩(wěn)定運行。

圖9　直流側(cè)電容電壓波形

5結(jié)束語

本文針對三相光伏逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)，在分析交直流側(cè)能量傳遞關(guān)系基礎(chǔ)上，提出一種新的控制策略。該策略考慮到了光伏方陣模塊的功率變化及直流電容器的充放電過程等因素，與雙閉環(huán)控制策略相比，該控制系統(tǒng)只涉及一個PI環(huán)節(jié)，大大簡化了控制參數(shù)的設(shè)計，可以推廣到其他分布式能源的并網(wǎng)控制；串電阻啟動控制策略在電路上易實現(xiàn)，而且可以很好地限制直流電容器在啟動過程中的充電電流和保護功率開關(guān)器件。

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吳小雅(1972)，女，廣東肇慶人。助理工程師，工學學士，從事電網(wǎng)運行與控制、電力安全生產(chǎn)等工作。

(編輯查黎)

Research on Grid-connection Control Strategy for Three-phase Photovoltaic

Inverter Based on Instantaneous Current Tracking

WU Xiaoya

(Zhaoqing Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Zhaoqing, Guangdong 526000, China)

Abstract：On the basis of analyzing energy transferring relationship between AC side and DC side of the photovoltaic inverter, this paper proposes a kind of grid-connection control strategy based on instantaneous current tracking. The outer loop of power of this strategy considers factors such as power transformation of the photovoltaic array module and charge and discharge process of the DC capacitor, the inner loop uses hysteresis current control mode to track reference current. This strategy has advantages such as small current harmonic, rapid response speed, easy setting on control parameters, and so on. Meanwhile, this paper provides start control strategy for photovoltaic inverter in order to prevent large start current from damaging power switching elements. In PSCAD/EMTDC software, simulation model for three-phase photovoltaic grid-connection is established and digital simulation verifies effectiveness of this control strategy.

Key words：photovoltaic; three-phase inverter; hysteresis current control; start control; PSCAD/EMTDC

作者簡介：

中圖分類號：TM615

文獻標志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)01-0087-05

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.017

收稿日期：2015-12-14