基于RTDS两级式光伏并网V/Q控制策略仿真研究

2013-09-20宋凯任立平尹大鹏

电气自动化 2013年5期

宋凯，任立平，尹大鹏

（1.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 210003;2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉 430074）

0 引言

作为可再生能源的一部分，太阳能的利用正受到越来越多的重视，它既可以减少传统能源的消耗，又可以减少环境污染，我国正大力建设智能电网，太阳能作为一种最好的可再生能源，将迎来发展的契机［1］。

RTDS是高精确的实时仿真系统，在其基础上建立两级式光伏并网发电系统，具有重要的现实意义。并网逆变器作为发电设备与电网的接口设备，对其控制是并网发电系统的核心。已有很多文献记载了采用网侧电流控制模式实现并网逆变器的控制，取得了较好的效果，但必须采用对电网电压的锁相环控制技术。本文提出了V/Q控制模式实现逆变器的并网控制，在保证逆变器直流侧电流恒定的情况下，调节直流母线电压，保证了逆变器功率因数为1的并网运行要求。光伏阵列的MPPT控制采用恒定电压跟踪法，通过大电感与逆变器直流侧相连，从而保证了逆变器输入的直流电流平滑，仿真表明系统结构合理，控制系统性能优良。

1 系统拓扑结构框图

本文研究的并网光伏发电结构框图如图1所示。

图1 光伏并网发电系统结构图

图1为两级变换的光伏并网逆变系统，前级DC－DC变换器和后级DC－AC变换器之间设置一个足够容量的直流滤波电容器C，该直流滤波电容C在缓冲前、后级能量变化的同时，也起到了前、后级控制的解耦作用。因此，对前、后级变换器的控制策略一般可以独立进行研究［2］。两级式光伏并网发电系统控制效果明显提高，可保证直流母线电压可控。DC－AC变换器直流母线侧接有一个足够大的平波电感L，主要起到平滑直流输入电流波形的作用。电网电压与频率相对稳定，在仿真中，采用无穷大的交流电压源进行等效。接口变压器是RTDS中专为大步长与小步长元件间设置的连接元件，可以把其等效为一个电感L1，即可以视为逆变器通过等效的LCL1滤波电路与电网相连，设置合理的参数值，可以消除谐波，保证并网波形质量。

对图1中三个假设如下:一是逆变器前端电感L足够大，保证输入电流平滑;二是逆变器中的功率开关器件为理想元件，即逆变器输入与输出有功P保持不变;三是光伏电池运行在标准测试条件（STC—Standard Test Conditions）下，STC是指外界温度为25℃、光照强度为1 000 W/m2的输入条件。

2 控制器的设计

本系统控制电路分两部分，第一部分DC－DC变换器主要实现光伏电池阵列MPPT控制;第二部分是DC－AC变换器的V/Q控制。

2.1 DC－DC变换电路控制器设计

为了提高太阳能利用效率，在STC下，应使太阳能电池阵列尽量工作在MPP处，因而要对光伏阵列进行MPPT控制。采用恒定电压法来跟踪光伏阵列MPP，既简单又实用［3］。控制框图如图2所示。

其中:UPV为光伏阵列端电压值;Vref为光伏阵列端电压给定值。控制系统利用PI调节器来对开关管占空比D进行控制，设置合理的PI控制参数，光伏阵列端电压采样信号与电压给定值比较，误差经过PI调节器后，得到调制信号，载波信号幅值设为1，单极性调制，频率为3 kHz，规定调制信号大于或等于载波信号时，开关管导通，反之则关闭，这样就保证了调制信号幅值就是开关管占空比D值。

图2 光伏电池恒定电压跟踪法控制框图

2.2 DC－AC变换电路控制器设计

图3 V/Q控制框图

对光伏逆变器的控制有两个控制要求:一是实现逆变器的前端直流电压稳定;二是实现并网电流控制及网侧功率因数可调。文献［4－5］记录了采用控制网侧电流并结合锁相控制技术进行电网电压相位跟踪，达到功率因数为1的目的。本文采用的V/Q控制方式，采用正弦脉冲宽度调制（SPWM—Sinusoidal Pulse Width Modulation）原理很好地实现了网侧功率因数的控制，并保证了并网波形质量。最大的优点是消去了锁相控制技术，大大简化了控制系统。V/Q控制框图如图3所示。

其中:V为直流母线电压;Vref为直流母线电压给定值;Q为向电网输送的无功;Qref为无功给定值;Angle为正弦调制波相位（rad）;Mag为正弦调制波幅值;载波频率为3 kHz，幅值范围为1，双极性调制。SPWM调制波频率采用电网频率50 Hz，保证了并网波形与电网同频的要求。

光伏发电并网运行时的单相电路原理如图4所示，电网认为是容量无穷大的电压源，UG、iG、ZG分别为电网电压、电流及阻抗，逆变器等效成电流源，输出电流为i0，等效负载上的电压、电流及阻抗分别为UL、iL与ZL。

图3中有两个被控量，V与Q。由于直流母线侧接有大电感，电流平滑，设为I。控制直流母线电压V，相当于控制了逆变器输入有功 P。

图4 单相并网等效电路图

由图4可以得出:

由于电网线路阻抗ZG非常小，则可得出:

由（3）式可以看出，逆变器输出电压由电网电压决定。逆变器输出的有功功率P与无功功率Q还可表示为:

为了向电网输入优质电能，逆变器输出的功率中尽量减少无功功率，使功率因数接近1，即要求Q=0。由于P注入电网为正，根据式（4）与（5）可以得出，∠UG=∠i0，达到了同相位的目的。

根据上述分析，控制无功Q=0，就可以使网侧功率因数为1。

3 实验与仿真

根据上述论述，在RTDS/RSCAD上建立仿真模型，光伏阵列设计最大功率为53 kW，MPP处电压为0.87 kV。系统中主要参数如表1所示。

表1 系统主要参数

3.1 光伏阵列MPPT控制仿真

控制模型中 PI调节器参数设定为:比例系数 KP=0.5;积分系数Ki=20。设置Vpvref=0.87 kV。仿真波形如图5所示。

图5中，Vpv为光伏阵列端电压实际值;Ipv为光伏阵列端电流实际值;Ppv为光伏阵列输出功率实际值。

图5 光伏阵列端电压、电流、功率仿真波形

3.2 并网逆变器V/Q控制仿真

V/Q控制模块中，PI调节器参数设置如下。比例系数K

P=3.5;积分系数为Ki=500。直流母线参考电压VDCref=0.6 kV，注入电网无功Qref=0。仿真波形分别如图6与图7所示。图中，V为逆变器直流母线电压实际值;QML为网侧无功实际值。

图6 恒压控制波形

逆变器并网功率因数与波形质量是衡量并网的两个重要因数。要求并网处功率因数为1，即同相电压与电流同相位。波形如图7所示，分别为 A、B、C三相电压与电流波形。图 8 中，N11、N22、N33为网侧入口处三相电压;IBRKA、IBRKB、IBRKC为网侧入口处三相电流。

对图8中三相电流IBRKA、IBRKB、IBRKC波形谐波分析如表2所示，仅列出前七次谐波的含量。

图7 恒无功控制波形

图8 并网电压与电流波形

表2 并网三相电流谐波含量表

总谐波含量（THD—Total Harmonic Distortion）等于各阶次谐波含量平方和再开根号。由上表提供的数据，可以计算三相电流IBRKA、IBRKB、IBRKC的 THD 分别为:0.686%、0.332%，0.678%，谐波含量很小。Fourier分析可知，光伏逆变器并网电流谐波含量在标准以内，满足并网要求。