李獻忠, 郭朝令, 郭國慶

(鄭州電力高等專科學(xué)校,河南 鄭州 450007)

隨著傳統(tǒng)能源的枯竭，可再生能源開發(fā)與利用不斷增加，國際可再生能源署發(fā)布了《全球能源轉(zhuǎn)型：2050年路線圖》(2019版)，按照基于可再生能源技術(shù)的低碳技術(shù)路徑，到2050年，可再生發(fā)電總量將增加7倍,在一次能源供應(yīng)中的占比將上升到66%，其中約有86%來源于可再生能源發(fā)電，到2050年，太陽能發(fā)電裝機容量約為8500 GW[1],新能源微網(wǎng)系統(tǒng)將在電力系統(tǒng)中占據(jù)越來越重要的位置。為了使微網(wǎng)系統(tǒng)能適用實際電網(wǎng)擾動和孤島工況，要求能并網(wǎng)/離網(wǎng)運行且具有較好切換能力，因此，雙模式逆變器控制研究具有廣闊的前景[2-4]。文獻[5]雙模控制系統(tǒng)中并網(wǎng)模式下采用電感電流單環(huán)控制，造成系統(tǒng)諧波大。文獻[6-7]利用檢測并網(wǎng)開關(guān)運行情況過渡算法來實現(xiàn)離網(wǎng)/并網(wǎng)平滑切換，存在電壓電流突變。文獻[2，8]采用并網(wǎng)模式下并網(wǎng)電流單環(huán)控制，與雙環(huán)相比存在電壓電流突變，諧波含量大，系統(tǒng)抗干擾能力差等問題。

針對上述存在的問題，本文結(jié)合并網(wǎng)/離網(wǎng)模式的獨立運行控制特點,提出了雙模式逆變器在電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下雙環(huán)控制策略。當(dāng)系統(tǒng)并網(wǎng)時采用直流母線電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)對單位功率因素的控制策略，系統(tǒng)在離網(wǎng)模式時采用電容電壓外環(huán)電感電流內(nèi)環(huán)控制策略。為實現(xiàn)雙模式無縫切換，采取電流控制離網(wǎng)運行模式，并由于數(shù)字控制器(digital signal processing,DSP)的出現(xiàn)[6]，為雙模式平滑切換提供了方便。

1 三相光伏雙模式逆變器控制策略

圖1為三相雙模式逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由三相PWM逆變器、LC濾波電路、逆變輸出側(cè)等效阻抗Z，重要負(fù)載等組成，逆變系統(tǒng)與公共電網(wǎng)之間通過并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)連接[9]。

圖1 三相雙模式逆變器主電路

根據(jù)該雙模式逆變器系統(tǒng)工況，有并網(wǎng)模式、離網(wǎng)模式以及并網(wǎng)/離網(wǎng)切換過程3個工作狀態(tài)。大電網(wǎng)正常運行時光伏系統(tǒng)工作于并網(wǎng)模式，此時并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)處于閉合狀態(tài)，逆變系統(tǒng)一般采用電流控制，此時逆變器相當(dāng)于電流源，與電壓控制相比，具有不易出現(xiàn)環(huán)流的特點。當(dāng)實際電網(wǎng)出現(xiàn)故障或系統(tǒng)需要調(diào)度時，并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)斷開，逆變系統(tǒng)運行于離網(wǎng)模式，一般采用電壓控制[2]，此時逆變器作為一個電壓源，輸出穩(wěn)定的電壓能夠滿足負(fù)載電壓需求。當(dāng)逆變器需要在兩種模式切換時，為減小系統(tǒng)產(chǎn)生很大的電壓電流沖擊，需作到無縫切換[7]。

1.1 離網(wǎng)模式逆變控制策略

當(dāng)檢測到逆變器輸出電流與電網(wǎng)的頻率、相位不一致，斷開靜態(tài)開關(guān)，系統(tǒng)運行于離網(wǎng)模式，其三相電壓型無源逆變電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三相無源逆變器主電路

圖2中參數(shù)表示意義與圖1一致，其中逆變側(cè)輸出電壓V，濾波電感L上的電流i，負(fù)載電壓VL1，負(fù)載電流iL1，對L、C列寫方程，得到式(1)[8]：

考慮三相對稱平衡性，根據(jù)坐標(biāo)變換規(guī)律，推出離網(wǎng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓、電流狀態(tài)方程：

從式(2)可以看出這是一個強耦合系統(tǒng)，d、q軸上參數(shù)會產(chǎn)生相互影響[9],可通過解耦控制消除相互之間耦合的影響。圖3為電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖3 離網(wǎng)雙環(huán)控制

1.2 并網(wǎng)模式逆變控制策略

對三相電壓型PWM有源逆變器建模，由文獻[12]可知，在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)情況下，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的id、iq均為直流量。為了將中間直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)電流控制在給定值，設(shè)eq=0，本系統(tǒng)采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下基于PI調(diào)節(jié)器的電壓矢量跟蹤電流控制策略，如圖4所示。

圖4 并網(wǎng)雙環(huán)控制

1.3 并網(wǎng)/離網(wǎng)雙模式切換

由于模態(tài)切換動作與并網(wǎng)或者離網(wǎng)開關(guān)動作可能不一致，在系統(tǒng)切換中存在兩個狀態(tài)：電壓控制并網(wǎng)運行和電流控制離網(wǎng)運行。若以電壓控制并網(wǎng)作為切換過程狀態(tài)，將會與電網(wǎng)構(gòu)成環(huán)流[10]，所以在系統(tǒng)切換過程中一般采用電流控制離網(wǎng)狀態(tài)來實現(xiàn)模式平滑切換。

以離網(wǎng)模式轉(zhuǎn)為并網(wǎng)模式過程為例：并網(wǎng)前應(yīng)檢測電網(wǎng)電壓是否滿足并網(wǎng)要求，然后再調(diào)整逆變器的輸出電流是否與電網(wǎng)電壓同頻同相。調(diào)整過程中逆變系統(tǒng)從電壓控制運行切換為電流控制運行，此時檢測負(fù)載電流，調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流的參考值等于負(fù)載電流，由于過零點時電壓幅值很小，在電網(wǎng)電壓過零點時合上并網(wǎng)開關(guān)，將減少電壓沖擊，再一次檢測逆變器的輸出電流是否與電網(wǎng)電壓同頻同相，最后與電網(wǎng)電壓鎖相。圖5為兩種模態(tài)切換的工作流程。

(a)離網(wǎng)切換到并網(wǎng)流程

(b)并網(wǎng)切換到離網(wǎng)流程

2 仿真結(jié)果分析

設(shè)定初始條件：設(shè)計9 kW光伏逆變器,逆變器輸入端電壓udc=700 V，電網(wǎng)電壓380 V AC；逆變器開關(guān)頻率10 Hz；額定輸出相電流13 A RMS(root mean square)；并網(wǎng)電流基波頻率為50 Hz；本地負(fù)載為10 kΩ的純阻性負(fù)載；電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kip=20，Kii=0.1。電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kvi=10，Kvp=0.1；運用Matlab/Simulink軟件建立仿真模型，設(shè)置仿真時間為0.25 s，算法采用ode 23 s[13]，采樣時間(5×10-7)s。

2.1 逆變系統(tǒng)從離網(wǎng)到并網(wǎng)切換

離網(wǎng)切換到并網(wǎng)模式時的波形見圖6。

(a)電網(wǎng)電壓波形

(b)逆變器輸出電流波形

(c) 電網(wǎng)電流波形

(d) 諧波分布

從圖6中可以看出，逆變器在離網(wǎng)模式時，系統(tǒng)輸出電壓電流波形穩(wěn)定，當(dāng)運行于0.15 s時，逆變器從離網(wǎng)模式平滑切換到并網(wǎng)模式，輸出電壓波形穩(wěn)定，如圖6(a)所示。逆變器輸出電流在切換點附近，有少量的沖擊電流產(chǎn)生，只是在切換點附近有毛刺，如圖6(b)所示。電網(wǎng)電流從0變成額定值，平滑地過渡到電網(wǎng)電流，并在2個工頻周期內(nèi)完成與電網(wǎng)電壓鎖相，如圖6(c)所示。并通過圖6(d)中諧波分布顯示可知，THD=4.33%，滿足并網(wǎng)質(zhì)量要求。

2.2 逆變系統(tǒng)從并網(wǎng)到離網(wǎng)切換

從圖7中可以看出，逆變器在并網(wǎng)模式時，能實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，且諧波含量少；當(dāng)系統(tǒng)在0.15 s時，逆變器從并網(wǎng)模式切換到離網(wǎng)模式，電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電流波形不變化，只是在切換點附近有少許毛刺，并在2個工頻周期內(nèi)系統(tǒng)達到穩(wěn)定。

(a)電網(wǎng)電壓波形

(b)逆變器輸出電流波形

3 結(jié) 論

針對光伏系統(tǒng)并網(wǎng)單環(huán)控制及并網(wǎng)/離網(wǎng)切換過程中，易產(chǎn)生電壓電流突變，諧波含量高，抗干擾能力差等問題，提出了微網(wǎng)光伏雙模式逆變器雙環(huán)控制策略和無縫切換控制方法。仿真結(jié)果表明，逆變器在并網(wǎng)模式時能實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，諧波少，提高了電能的質(zhì)量；逆變器在離網(wǎng)模式時能給重要負(fù)載穩(wěn)定供電；離網(wǎng)切換到并網(wǎng)時有效減小了電壓電流沖擊，而且逆變器輸出電流能在2個工頻周期內(nèi)完成電網(wǎng)電壓的鎖相，達到并網(wǎng)要求；并網(wǎng)切換到離網(wǎng)時，逆變器輸出電壓由電網(wǎng)電壓平滑地過渡到負(fù)載電壓給定值，能夠?qū)崿F(xiàn)無縫切換。整個系統(tǒng)控制策略方案可行，運行可靠性高。