并網型光伏發電系統控制策略研究

謝寒冰，郭前崗，周西峰

（南京郵電大學 自動化學院，江蘇 南京 210046）

近年來，隨著世界能源消耗的增加，以太陽能為代表的可再生能源發電受到了廣泛重視。光伏并網型發電系統憑借造價低、應用廣泛、輸出波形穩定等特點，其應用比例快速增長，已成為光伏技術的主流應用。由于要求光伏并網型發電系統輸出的交流電與電網電壓嚴格同步，所以光伏并網發電系統控制的關鍵和難點在于確定了光伏電池的最大功率輸出后，如何綜合考慮功率變換器的動態性能、系統干擾、輸出波形失真、并網電流和電網電壓同步等問題。基于此，在選取了單相電壓源型并網光伏系統作為研究對象后，利用傳統的雙環控制策略，采用新型重復控制技術，并結合電網電壓前饋控制技術，在Matlab/Simulink環境下進行了仿真研究。結果表明，并網電流的重復控制可改善穩態情況下的并網電流波形，降低對電網的污染，同時電網電壓的前饋控制也抵消了電網電壓對系統的擾動影響。

1 并網型光伏發電系統的結構與數學模型

光伏發電系統按照發電功率及容量可以分為單相和三相兩種，采用單相并網系統，有便于理論分析且性能可靠；按照直流側電源形式可分為電壓型和電源型兩類，采用電壓源型系統，有輸入電壓穩定且干擾較小等特點；根據逆變器級數又可分為單級式和兩級式系統，采用兩級式控制系統，系統的控制環節比較容易設計和實現。基于此，本文采用兩級式單相電壓源型并網光伏發電系統。

1.1 單相電壓源型并網光伏發電系統結構

單相電壓源型并網光伏發電系統如圖1所示。其中，光伏組件陣列將接收到的太陽光直接轉換為電能。通常這個環節輸出的電壓不能達到逆變的要求，可以通過一個升壓斬波電路對其進行升壓，并將輸出電壓

通過并聯一個儲能電容，作為逆變器的輸入信號，從而構成電壓源型逆變器。逆變器的主電路通常采用全橋逆變電路，使用IGBT作為功率器件。為了控制逆變器中功率器件的關斷還需采用脈寬調制技術(PWM)。通常逆變器的輸出電壓還會含有較多的高次諧波分量,因而必須在逆變器的輸出側設計一個低通LC濾波器來減小諧波含量，以得到平滑的正弦波,防止對電網電壓造成污染。

1.2 并網型光伏發電系統數學模型

單相電壓源型并網光伏發電系統數學模型如圖2所示。

從圖2可以看出，對于逆變器輸出部分，主要采用電流控制方法。把逆變器輸出電流作為一個電流源，和電網進行并聯工作，而電網一般看作是電壓源處理。所以整個控制目標就變成控制逆變器的輸出電流，使其頻率、相位能夠完美地跟蹤電網電壓變化。這種控制方法相對于控制逆變器輸出電壓跟蹤電網電壓的控制策略相對簡單。

從以上的數學模型可以得到并網逆變器的等效電路和相應的電壓電流矢量圖，如圖3所示[1]。其中Uo為電網電壓，U1為并網逆變器的輸出電壓，r為包括線路電阻、死區效應、開關管導通壓降等逆變器中各種阻尼因素的綜合等效電阻，L是電路等效電感值，iL為并網逆變器的輸出電流。由于并網逆變器的等效負載屬于阻感性負載，所以逆變器輸出的電壓要比電網電壓滯后一個相位差θ，如圖3(b)所示。因此在研究控制方案時，為了使輸出電流與電網電壓同頻同相，要使電網電壓預先滯后于并網逆變器的輸出電壓。

2 并網型光伏發電系統控制策略研究

系統的整體控制采用雙環控制策略，控制過程是電壓給定信號ur與電容電壓uo比較得到電壓誤差信號，經過電壓調節器 GV產生電流給定信號 uir，uir與電容電流ic比較得到電流誤差信號，經過電流調節器Gi形成控制量u1，從而對逆變器實施控制。

2.1 電網電壓前饋控制研究

并網系統的實質是有源逆變系統，其負載為電網，因此，在公共節點處，電網電壓值可能會因為回路上其他交流負載的變化而發生突變，此時，并網電流波形就可能發生畸變。從控制理論角度理解，可以將電網交流電壓當作是系統的干擾源。為了獲得較好的電網擾動抑制效果，系統采用了電網電動勢前饋控制策略，以抵消電網的擾動。前饋控制一般不會改變控制系統的特性，另外前饋控制還可以在一定程度上減輕反饋控制的負擔，所以盡量降低反饋控制的增益，有利于系統的魯棒性。圖4為具有電網電動勢前饋補償的控制框圖。其中，G1(s)表示控制對象傳遞函數，G2(s)表示逆變橋及 SPWM調制電路等效傳遞函數，G3(s)則表示系統串聯的PI調節器傳遞函數，KPWM為逆變器增益。由圖可知，當電網電壓發生突變(設由 Unet變為 Unet+△u)時，由于電網電壓的干擾，此時輸出的并網電流Inet的變化量為：

2.2 并網電流重復控制研究

圖5為系統中重復控制器簡化結構圖。

重復控制是一種基于內模原理的控制方法。在傳統的重復控制系統中，重復控制器主要由兩部分構成：內模和輔助補償器。內模的作用是產生周期性的參考信號；而輔助補償器是為了改造控制對象，以增加其穩定裕度。本系統中也采用了PI控制器來改造控制對象。其中N為一個基波周期內并網電流的采樣次數，其值等于一個基波周期內PWM的中斷次數即載波比，在本系統中，由于開關頻率為 10 kHz，電流頻率為 50 Hz，故 N=10 k/50=200。Q(z)可以看成是一階低通濾波器或者直接看作是不大于1的常數。

系統工作原理是：重復控制器將上一周期的輸出量經過Q(z)衰減后與當前誤差e進行逐基波周期累加，當誤差e周期性地重復出現時，內模的輸出也就變成對誤差e的逐基波周期累加。當誤差e=0時，內模的輸出（即A點的輸出）不會消去，只是暫時停止變化，此時重復前一周期的波形，同時周期性地輸出此波形，從而實現輸出對給定的無靜差跟蹤。內模輸出波形通過串聯的補償器Gc(s)進行調節，從而增加系統的穩定裕度，改善系統的動態性能[3]。

具體分析時，忽略線路分布時間常數，僅考慮PI控制時，則可以得到系統開環傳遞函數為：

選擇合理的 Kp、T，使兩者乘積等于 L/r，這樣可以實現式中的零點和極點對消，此時：

上式表明，光伏并網發電系統采用PI控制后是一個穩定系統。系統動態響應特性僅與控制器的積分時間常數T有關，T值越小，系統的動態響應就越快。

2.3 系統的整體控制策略

綜合以上兩小節的研究，設計出重復控制器與電網電壓前饋技術相結合的復合型光伏并網發電系統。系統結構主要包括改進型重復控制器和電網電壓前饋控制器兩部分。其中，改進型重復控制器串聯在前向通道中，用來克服周期性的擾動影響，改善系統并網電流的穩態性能；電網電壓前饋控制為一個反饋網絡，用來抵消電網電壓的影響，這樣，即使給定電流為零，系統仍然能夠產生一個相應的占空比來抵消電網作用，從而使系統成為一個無源跟隨系統。

3 系統仿真

3.1 仿真電氣參數

電路的主要仿真電氣參數如表1所示。

3.2 仿真模型

根據相關理論知識，本文在Matlab2010a環境下構建仿真模型如圖6所示[4]。

由圖可知，光伏并網系統主要由以下幾部分組成：直流電壓輸入模塊、逆變橋模塊、PWM波形生成模塊、交流側并網模塊以及控制系統模塊等。

3.3 仿真結果

采用電網電壓前饋與改進型重復控制相結合的控制策略后，參考電網電壓Ugrid與輸出電流ic的波形圖如圖7所示。

表1 仿真實驗電氣參數

3.4 仿真結果分析

在實施復合控制以后，并網電流處于穩態，與電網電壓頻率相同，相位差很小，且波形光滑，基本滿足了光伏發電系統并網的要求。

本文提出的光伏并網型發電系統控制策略，有效解決了電網電壓對系統的周期性擾動以及輸出電流無法完全準確跟蹤電網電壓的問題。采用本文提出的復合控制策略，利用串聯在前向通道中的改進型重復控制器，可克服周期性的擾動影響，改善系統并網電流的穩態性能；另外把電網電壓前饋控制作為一個反饋網絡，用來抵消電網電壓的干擾，使輸出電流在相位、頻率以及幅值方面緊緊跟蹤電網電壓，實現對系統的無靜差跟蹤。根據前面的理論分析以及仿真結果的驗證，說明該方案具有一定的有效性和可行性，但關于并網交流側濾波電路對輸出電流的影響還需要深層次探討。

[1]姜子晴.單相光伏并網系統的研究[D].鎮江：江蘇大學，2008.

[2]何俊，彭力，康勇.PWM逆變器PI雙環控制技術研究[J].通信電源技術，2007，24(3)：4-6.

[3]鄭詩程，劉偉.光伏并網發電系統及其控制策略的研究與仿真[J].系統仿真學報，2009，21(19)：6161-6165.

[4]薛定宇，陳陽泉.基于 Matlab/Simulink的系統仿真技術與應用(第 2版)[M].北京：清華大學出版社，2011.