可調度型光伏逆變器滑模電壓控制方法研究

李清然，張建成

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 0 71003)

可調度型光伏逆變器滑模電壓控制方法研究

李清然，張建成

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 0 71003)

為改善小容量戶用光伏發電系統中并網逆變器的有功無功調度跟蹤性能及并/離網切換控制性能，提出一種逆變器滑模電壓控制方案。光伏發電系統并/離網運行情況下逆變器均采用電壓控制模式，無需模式切換。采用滑模控制方法實現逆變器電壓控制，根據有功無功的調度指令，調節逆變器輸出的端電壓，實現并網模式下逆變器輸出功率靈活快速跟蹤調度指令的特性。在Matlab/Simulink仿真平臺對所提出的控制方案進行仿真驗證。結果表明，所提控制方案簡單易行、功率快速跟蹤調度指令能力強、并/離網過程迅速無沖擊。

有功/無功;可調度性;電壓控制;滑模控制;并/離網

0 引言

隨著能源和環境問題日益突出，分布式發電技術得到廣泛關注［1～3］。國家電網公司頒布的《國家電網公司關于印發分布式電源并網相關意見和規范的通知》提出為分布式光伏發電的發展提供優惠優質服務，推動了小型戶用并網光伏發電的發展。逆變器作為并網光伏發電系統與電網的接口，其性能優劣直接影響用戶和電網的電能質量［4，5］，開展對逆變器的研究對分布式光伏發電推廣意義重大。

目前常用的逆變器控制策略有 PI控制［6，7］、比例諧振控制［8，9］、重復控制［10］、無差拍控制［11］等，這些控制方法各自有其優點同時仍存在一些不足。PI控制原理簡單，但控制精度較差;比例諧振控制可以消除穩態誤差但存在帶寬限制問題;重復控制對于死區等周期性擾動有良好校正作用，但其對于非周期性擾動效果較差;無差拍控制動態性能好，但其對運算速度和系統模型精確性的要求很高，限制了其在工程上的應用。

并/離網雙模式逆變器多采用混合電壓電流控制模式［12，13］。并網運行時控制逆變器的輸出電流與電網電壓同頻同相，實現單位功率因數并網;而離網運行時逆變器采用輸出電壓控制方案。因此并/離網運行方式切換需要伴隨逆變器控制模式切換，比較復雜，并且切換過程中存在負載電能質量較差、沖擊電壓電流過大等問題，不利于電網和逆變器安全運行。目前無縫切換技術［14～18］還存在控制復雜、實現困難等問題。由于光伏系統輸出功率具有隨機性和不可控性，隨著光伏電源滲透率的增加，如何控制其輸出功率，使其參與電網調度也成為電網即將面臨的問題，而目前這方面的研究還比較少。

針對上述問題，本文設計了光伏系統并/離網運行方式下的逆變器電壓控制方案，在光伏系統運行方式切換過程中，無需對逆變器的控制模式進行切換，簡單易實現，對于負載、電網和逆變器安全無沖擊。由于小型的戶用光伏系統可能需要比較頻繁的并/離網操作，因此在并網模式下逆變器采用電壓控制相對于電流控制有較大優越性。并網運行時通過調節逆變器的輸出端電壓實現有功和無功的快速跟蹤，可以靈活方便地進行功率調度控制。另外根據用戶對逆變器的需求，逆變器應該具有較寬的直流輸入電壓適應范圍、對負載擾動的不敏感性和魯棒性以及良好的動態特性。滑模控制具有響應速度快、對參數和擾動不敏感、簡單易實現等優點，因此本文采用滑模變結構控制方法實現上述逆變器控制方案。

1 可調度型單相光伏逆變系統結構

對于小容量的戶用光伏發電系統，多采用單相全橋逆變器與電網相連。因此本文依托單相全橋逆變器展開研究，所采用的單相逆變系統結構如圖1所示。

圖1 單相逆變系統結構圖

圖1中Udc表示等效替代直流電壓源;Lf，Cf表示濾波電感和電容;R+jX表示電纜線路的阻抗;Rload表示用戶的本地負載;us表示電網。S1為并網開關，當電網故障時，S1斷開隔離故障。S2為本地負載用電選擇單刀雙擲開關，電網為本地負載供電時，S2擲于a;光伏發電系統為本地負載供電時，S2擲于b。S3為光伏發電系統出口開關，當光伏發電系統故障時，S3斷開隔離故障。圖1虛線框中為光伏發電系統并網模式和離網模式不同的參考電壓生成方式。

光伏發電系統中，光伏電池經過DC/DC變換器實現最大功率跟蹤和升壓功能，同時可調度型光伏系統必然要求配備一定容量的儲能裝置，滿足功率調度需求。因本文討論重點在于逆變器控制，簡單起見，將這部分電路用電壓在一定范圍內波動的直流電源Udc等效替代。光伏系統輸出的直流電能，經過逆變器和濾波器后轉變為符合要求的工頻交流電并入電網。小容量的戶用光伏發電系統，多經過電纜線路并入電網，由于電壓等級比較低，所以線路電阻不能忽略。

2 逆變器滑模電壓控制方法

傳統的并/離網雙模式逆變器多采用混合電壓電流控制模式。當光伏發電系統離網運行時，將逆變器等效為電壓源，采用電壓模式控制結構，控制輸出電壓瞬時值;當光伏發電系統并網運行時，將逆變器等效為電流源，采用電流模式控制結構，控制并網電流與電網電壓同頻同相，實現單位功率因數并網。在并/離網系統運行方式切換時，逆變器的控制結構也要相應切換，切換過程中負載電能質量較差，對電網造成一定沖擊。對于小容量戶用光伏發電系統，天氣較好的白天并網發電，為了防止電網功率倒送，夜間及陰雨等不能發電時一般將其與電網分離，因此需要頻繁的并/離網操作，逆變系統顯然不適合采用上述傳統控制方法。

本文所提滑模電壓控制方案，無論光伏系統并網、離網運行，逆變器均采用電壓控制，不存在電壓電流控制模式切換，滑模控制作用下電壓穩定性好，并/離網操作過程中負載電能質量良好，對電網無沖擊。

下面詳細分析并/離網運行方式下光伏逆變器滑模電壓控制方案的設計過程。

2.1 參考電壓生成

光伏發電系統并網運行時，逆變器的控制目標為輸出功率跟蹤電網功率調度指令的要求;光伏發電系統離網運行時，逆變器的控制目標為保證負載的電能質量。根據不同的控制目標，逆變器輸出電壓參考值ucref的生成方式不同。

2.1.1 并網模式

如圖1所示，在并網模式下，并網開關S1閉合，本地負載選擇開關S2接入a點，S3閉合。參考電壓生成方式選擇虛線框中并網模式方式。

根據有功和無功的調度指令確定逆變器輸出電壓，可以實現有功無功的解耦控制。設Pref，Qref分別為逆變器輸出功率調度指令，Ip，Iq分別為逆變器輸出有功電流、無功電流參考值。Up，Uq分別為有功電流Ip、無功電流Iq在線路阻抗R+jX上引起的壓降，則:

參考電壓生成原理如圖2所示。

圖2 參考電壓生成原理

則逆變器輸出電壓參考值為:

由式 (4)可見，有功無功可以單獨調節，實現解耦控制。有功、無功調度指令變化后，逆變器輸出電壓參考值的幅值和其相對于電網的相位會相應變化，逆變器輸出電壓uc在滑模電壓控制模塊作用下跟蹤參考值ucref從而保證逆變器輸出功率跟蹤功率調度指令。

2.1.2 離網模式

電網故障情況或者因用戶需要頻率等與市電不同的特殊電能而使光伏發電系統離網運行時，如圖1所示，并網開關S1打開，本地負載用電選擇開關S2接入b點，不再經過電纜線路，S3閉合，由光伏發電系統為本地負載供電。逆變器的輸出電壓參考值ucref可以選擇用戶給定的參考電壓，參考電壓的幅值頻率等參數根據用戶自身需要而定。

光伏發電系統并/離網運行時，滑模電壓控制作用下逆變器的輸出電壓跟蹤參考電壓，下面分析滑模電壓控制的設計過程。

2.2 滑模電壓控制

取逆變器輸出濾波電容電壓及其導數為狀態變量，建立狀態方程如下:

式中:Ro在并網模式下為電纜阻抗、本地負載阻抗、逆變器并網功率等效阻抗組成的綜合阻抗，在離網模式下為本地負載阻抗。u表示開關器件VT1－VT4的通斷狀態。

為控制逆變器輸出電壓，以狀態偏差量建立滑模面函數:

式中:c為滑模面系數。

采用指數趨近律縮短到達滑模面的時間:

式中:ε和k為指數趨近律系數。k能保證當s較大時系統以較大的速度趨近滑動模態，ε使得當s接近0時，趨近速度不是0，保證系統在有限時間內到達滑動模態。通過選擇合理的ε和k(ε＞0且ε很小，k＞0且k適當大)可以保證快速趨近并削弱抖振現象。

聯立式 (5)～(9)得到等效占空比:

由于等效占空比中含有直流側電壓Udc，所以控制系統對于逆變器直流側電壓的波動有良好的魯棒性。

聯立式 (5)～(10)并化簡得到:

滿足滑模存在性及系統穩定性。

3 仿真與分析

在Matlab/Simulink環境下搭建模型進行仿真。選取濾波器參數為Lf=5 mH，Cf=10 μF。光伏系統出口選擇400 V低壓電纜并網，濾波器出口到電網距離取為1.5 km。滑模面系數c=3 000，指數趨近律系數ε=5，k=2 500，開關器件工作的頻率為10 kHz。考慮如下方面:

(1)有功功率調度指令Pref、無功功率調度指令Qref變化條件下，檢測逆變系統輸出功率跟蹤調度指令的能力。

(2)直流電壓Udc變化條件下，檢測逆變器的直流輸入電壓適應能力。

(3)并/離網運行方式切換條件下，檢測切換過程中負載電能質量以及注入電網的電能質量。

(4)本地負載Rload變化條件下，檢測逆變器負載適應能力。

在實際光伏發電系統中，上述變化或者擾動隨機發生，最惡劣的情況即同時交叉發生，因此本文在仿真中考慮同時交叉發生的情況。

設定仿真時間為1 s，0.125 s時刻并網，0.935 s時刻離網，本地負載電阻在0.54 s由10+j9.4 Ω突變為20+j15.7 Ω。逆變器直流輸入電壓的擾動如圖3所示，直流電壓波動范圍為450～550 V。

圖3 逆變器直流輸入電壓變化

0.125～0.935 s并網時間內，有功功率調度指令變化情況及逆變器輸出有功功率跟蹤調度指令情況如圖4所示，無功功率調度指令變化情況及逆變器輸出無功功率跟蹤調度指令情況如圖5所示。

圖4 有功調度指令及有功跟蹤情況

圖5 無功調度指令及無功跟蹤情況

由圖3～5可見在直流輸入電壓擾動情況下，有功、無功的調度指令變化時，逆變器輸出功率能夠在0.02 s內跟蹤調度指令達到穩定，逆變器輸出功率跟蹤調度指令能力良好。有功和無功調度與跟蹤相對獨立互不影響。

0～1 s內光伏發電系統并/離網運行方式切換、功率調度指令變化及負載突變等情況交叉發生過程中，本地負載的電壓和電流波形如圖6所示，圖7為光伏系統并網時刻、離網時刻、負載突變時刻負載電壓局部放大圖，圖8為負載電流傅里葉諧波分析得到各次諧波相對于基波的幅值。

圖6 本地負載電壓電流

由圖6與圖7可見，在0.125 s并網及0.935 s離網時刻，負載電壓迅速切換后穩定，不存在超調或者振蕩情況，負載電能質量良好，系統動態性能良好。在直流電壓擾動及功率調度指令突變等不利情況下，0.54 s負載突變，負載電壓不受影響，負載適應能力良好。

圖7 并網/離網/負載突變情況下負載電壓局部放大

圖8 負載電流傅里葉諧波分析

由圖8負載電流傅里葉諧波分析結果可見負載電流總諧波畸變THD為0.31%，負載電能質量滿足要求。

0～1 s光伏系統的并網電流及其傅里葉諧波分析得到各次諧波相對于基波的幅值如圖9所示。

圖9 并網電流及其傅里葉諧波分析

由圖9可見，在圖3所示逆變器直流電壓波動及0.54 s負載突變等情況下，圖4、圖5所示功率調度指令變化后并網電流迅速跟蹤調度指令進行調整，暫態過程非常短，在0.005 s內達到穩定，跟蹤迅速無超調無振蕩，波形良好，并網電流總諧波畸變率為1%，電能質量滿足并網要求，體現了滑模控制系統對于參數變化和負載擾動的不敏感性和魯棒性以及良好的動態特性。

圖10為0.125 s并網時刻、0.935 s離網時刻并網電流局部放大情況。

圖10 并/離網過程并網電流局部放大

由圖10可見并/離網切換過程平滑快速無沖擊，充分體現了電壓源控制模式相對于混合電壓電流控制模式在并/離網切換過程的優越性。

4 結論

逆變器性能優劣直接影響用戶及電網電能質量。本文以小容量戶用光伏系統中逆變器輸出功率靈活可調度與并/離網快速無沖擊為目標，提出了一種簡單易實現、控制性能優良的并/離網滑模電壓控制方案。在Matlab/Simulink仿真平臺上建模仿真，結果表明，所提控制方案在有功無功可調度性及并/離網切換方面性能優越，為分布式光伏推廣提供支持。

［1］李春曦，王佳，葉學民，等．我國新能源發展現狀及前景 ［J］．電力科學與工程，2012，28(4):1－8．

［2］李瀟雨，黃珂．分布式能源發展政策研究文獻綜述［J］．華北電力大學學報 (社會科學版)，2015，42(1):20－25．

［3］邵漢橋，張籍，張維．分布式光伏發電經濟性及政策分析 ［J］．電力建設，2014，35(7):51－57．

［4］曾正，趙榮祥，湯勝清，等．可再生能源分散接入用先進并網逆變器研究綜述 ［J］．中國電機工程學報，2013，33(24):1－12．

［5］曾正，楊歡，趙榮祥，等．多功能并網逆變器研究綜述 ［J］．電力自動化設備，2012，32(8):5－15．

［6］朱煒鋒，竇偉，徐正國，等．基于PI控制的三相光伏并網逆變器電流控制器設計 ［J］．可再生能源，2009，27(2):55－58．

［7］吳威．單相光伏并網逆變器控制策略的比較研究［J］．電網與清潔能源，2013，29(8):75－78．

［8］黃如海，謝少軍．基于比例諧振調節器的逆變器雙環控制策略研究 ［J］．電工技術學報，2012，27(2):77－81．

［9］陳超，李鵬，張雙樂．基于比例諧振的LCL型并網逆變器控制系統設計［J］．電力科學與工程，2012，28(8):1－6，23．

［10］張興，汪楊俊，余暢舟，等．LCL并網逆變器改進型重復控制策略 ［J］．電力系統自動化，2014，38(20):101－107．

［11］黃天富，石新春，魏德冰，等．基于電流無差拍控制的三相光伏并網逆變器的研究［J］．電力系統保護與控制，2012，40(11):36－41．

［12］ Yang S，Lei Q，Peng F．Multi-loop control algorithms for seamless transition of grid-connected inverter［C］．Twenty-fifth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，Palm Springs，CA，United States，21－25 February，2010:844 －848．

［13］ Chen C L，Wang Y，Lai J S，et al．Design of parallel inverters for smooth mode transfer microgrid applications［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(1):6－15．

［14］王曉寰，張純江．分布式發電并網無縫切換控制算法設計與實現 ［J］．電網技術，2012，36(7):191－194．

［15］晉鵬娟，趙興勇，梁元元．光伏發電雙模式運行無縫切換控制策略研究 ［J］．現代電力，2014，31(2):55－59．

［16］趙興勇，晉鵬娟，王靈梅．基于儲能的風力發電逆變器加權控制算法［J］．電力科學與工程，2014，30(2):7－11．

［17］劉增，劉進軍．一種可實現分布式發電系統平滑切換的三相逆變器控制方法 ［J］．電工技術學報，2011，26(5):52－61．

［18］ Ochs D S，Mirafzal B，Sotoodeh P．A method of seamless transitions between grid-tied and stand-alone modes of operation for utility-interactive three-phase inverters ［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，2014，50(3):1934－1941．

Research on Schedulable Type of Photovoltaic Inverter Sliding Mode Voltage Control Method

Li Qingran，Zhang Jiancheng
(School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In order to improve the active and reactive scheduling and tracking performance and grid-tied/stand-alone mode transfer control performance of inverter for small capacity household photovoltaic(PV)system，a new sliding mode voltage control scheme was proposed．Inverter adopted voltage control during grid-tied/stand-alone period of PV system，without controlling mode switch．And voltage control was realized by using sliding mode control method．According to the active and reactive power dispatch instructions，the inverter output voltage was adjusted，to realize the inverter output power characteristics of flexible fast track scheduling commands in the grid-connected process．Simulations were carried out in the MATLAB/SIMULINK platform to verify the proposed control strategy．Finally，the results show that the proposed control scheme is simple to realize，can track power instruction quickly，and has no negative impact during rapid grid-tied/stand-alone mode transfer process．

active/reactive power;schedulable features;voltage control;sliding mode control;grid-tied/stand-alone

TM615

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.06.001

2015－03－24。

國家自然科學基金 (51177047)。

李清然(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為新能源發電技術，E-mail:qingr_li@126.com。