贾成云

【摘 要】光伏发电系统主要由光伏组件、控制器、逆变器、蓄电池及其它辅助配件组成。根据是否接入电网，光伏发电系统分为并网和离网两种，后者不需要依赖电网，可以独立运行。经典的控制策略没有考虑线路阻抗问题，然而实际的系统中却存在阻抗，这就导致互联逆变器之间循环功率对逆变器造成冲击，降低效率并减小逆变器的功率分配精度。本文就光伏系统逆变器电能的改进控制策略展开探讨。

【关键词】光伏发电;逆变器;控制策略

引言

随着光伏发电系统的利用率也在激增。作为光伏发电系统与电网并网环节中最重要的逆变器的控制方式是研究的一大重点。逆变器控制策略的好坏直接影响到光伏发电系统与电网连接的稳定性，对光伏系统内部运行稳定性也有很大的影响。

1逆变器数学模型

由于脉冲宽度调制（pulsewidthmodulation，PWM）控制技术使用广泛，因此本文中并网电流的控制采用此技术。其输出的是对应于给定调制正弦波的一系列脉冲信号。驱动电路用于实时改变可控开关装置的导通和断开，使得逆变器的输出电流波形和电网中的电压波形能够达到相同的频率和相位，从而满足并网条件。根据逆变器的工作原理，可以得到PWM调制电路和逆变器输入输出的传递函数如下：

式中：Kab为传递系数;τ为滞后时间常数，与PWM的载波周期相等。由于使用PWM控制时，开关的开通与关断的频率远大于工频50Hz，因此，在建立数学模型时，通常可以忽略一些因素的影响，例如开关管的死区效应以及导通电压降等。由此，单相桥的逆变器可以视为简单的比例链路。PWM比例系数为：

2电压源逆变系统的结构及原理

电压源逆变系统主要用于光伏系统的工业发电领域。通常系统由4个主要部件组成：逆变器、交流电感器、直流电容器和交流滤波器，其中直流电容器是由两个电容器串联而成，两个电容器之间接地;而交流滤波器由电阻、电感和电容串并联组成。由于光伏逆变系统内存在LC谐振电路，所以系统中一定会有谐振产生。由于逆变器系统内LC回路会产生谐振，而电网所提供的电流和电压自身会带有高次谐波，这样将导致振荡回路中的高次谐波叠加在原有的高次谐波中。对于50次以上的高次谐波，在没有经过LC回路时，谐波畸变率尽管很小，但因LC回路产生的谐振增大了，传统的有源滤波器只能滤除50次以下的谐波，50次以上的谐波无法滤除，因此将优化后的阻尼器与逆变器和交流阻抗并联。

3改进逆变器下垂控制策略

3.1传统下垂控制的基本原理

分别通过有功/频率（P/F）和无功/电压（Q/V）双环控制来获得稳定的频率和电压。根据微电网的控制目标，若电源输出P0减小，通过下垂特性增加F0其中，P0和F0初始有功和频率，从而增大电源的有功P;反之亦然。由逆变器输出功率得

假设系统为高压电网有XsiRsi，则式（1）化简为

图1为常规逆变器下垂控制方框图。其中，K1、K2分别为有功、无功下垂系数;Ut为合成电压。

根据图1，传统下垂控制策略公式为：

常规PQ控制策略通过控制一定参数来控制逆变器的输出。在低压网络中，线路阻抗无法忽略以及系统运行时的不对称，逆变器的功率分配误差比较大，下面介绍改进PQ控制策略。

3.2电压电流双环控制

目前的光伏发电系统研究中，许多专家学者提出了很多双环（回路）控制的方案。其中，常见的就是电压电流双环控制。电压-电流双环（回路）控制策略的基本原理介绍如下。双环（回路）控制的外环是采用的电压控制回路，其返还从逆变器输出的电压信号u。此信号与正弦基准电压信号uref相比，比较后的误差值uc，在PI调节器的调节后，结果信号用作内环的参考值iref。双环（回路）控制的内环采用电流控制环，即返还逆变器输出的电流信号i。此信号与从外环获得的电流参考值iref相比较，得到参考值ie。然后，將比较后得到的误差值ie发送到比较器，在具有三角波载波比的比较器的作用下，产生PWM波。最后，根据该PWM波信号来调控功率开关器件的导通和断开。这样就能实现电能的逆变。在此控制策略中，逆变器中的各个开关管的工作频率都是固定的。所以，逆变器输出的谐波频率也是固定的。该控制方法控制效果好。

3.3独立运行到并网运行的分析

假设逆变器初始运行模式为独立运行，此时控制方式为下垂控制，逆变器发出的有功功率和无功功率全部被负载吸收（此时模型不考虑线路和器件损耗），在闭合并网开关后控制方式应该切换为PQ控制，以此完成并网过程。（1）电流过渡并网。为了使处于独立运行模式的逆变器采用电流过渡的方法并入大电网时，需要先切换到PQ控制，然后再闭合并网控制开关，在Matlab/Simulink搭建仿真模型。在上述模型建立的过程中，在0.2s时切换控制方式，0.3s闭合并网开关。逆变器开始处于独立运行状态时，并网控制开关处于断开情况下，并网电流为0。0.3s时，并网开关闭合，并网电流扰动时间极端，随后趋于正常。（2）电压过渡并网。当逆变器采用电压过渡的方法进行并网时，需要先闭合并网开关，再切换控制方式。在0.2s前逆变器处于独立运行状态时，逆变器处于下垂控制。此时系统如果没有遭受干扰，逆变器的输出是非常稳定的。在并网开关闭合那一时刻，逆变器的输出电压也会受到影响。闭合并网开关时，会有冲击电流出现，并网状态不稳定;在切换控制模式开关后，也需要经过三个周期左右才能够恢复正常。经过上述两种方式的对比，当从独立运行向并网状态运行时，采用电流过渡方式在过程中引起的扰动更小。因此，逆变器的并网切换过程应先切换模式控制开关，再进行并网。

结语

当逆变器处于并网运行运行状态时使用PQ控制策略，可以稳定高效的保证逆变器的输出;当逆变器处于独立于行状态时，应使用下垂控制，可以最大限度的消除扰动。当逆变器从并网状态切换到独立运行时，应先切换模式控制开关，将PQ控制切换到下垂控制，然后断开并网开关，完成脱网过程;当逆变器从独立运行切换到并网运行时，需要先动作模式控制开关，再动作并网开关。通过切换不同的控制模式，可以实现逆变器运行模式之间的平滑切换。

参考文献：

[1]朱珊珊，汪飞，郭慧，等.直流微电网下垂控制技术研究综述[J].中国电机工程学报，2018，38（1）：72-84.

[2]包广清，谭洪涛，丁坤，等.基于虚拟同步电机的光伏并网系统控制研究[J].电机工程学报，2018，13（12）：19-23.

（作者单位：中国水电建设集团新能源开发有限责任公司西北分公司）