小型多模式智能逆變器控制方法研究

葉 青

（上海電力新能源發(fā)展有限公司，上海200010）

0 引言

隨著分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電不再只是集中電站并網(wǎng)的形式，越來越多的分布式光伏發(fā)電接入電網(wǎng)中。為推動分布式發(fā)電的應(yīng)用，國家發(fā)展改革委2013年印發(fā)關(guān)于《分布式發(fā)電管理暫行辦法》，提出對于分布式發(fā)電，電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)提供并網(wǎng)服務(wù)，政府給予一定補貼等規(guī)定。2～5kW 小型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)將會成為未來光伏發(fā)電的主流，而并網(wǎng)逆變器是發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備。

本文針對分布式發(fā)電的特點，提出一種多端口輸入的新型逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，可同時接入兩路光伏發(fā)電單元和一路儲能單元，并給出了逆變器的整體硬件結(jié)構(gòu)，對其控制策略進行了詳細說明。在理論研究的基礎(chǔ)上，進行了仿真和實驗驗證，仿真和實驗結(jié)果表明，理論正確可行，多端口逆變器能夠很好地實現(xiàn)對于分布式發(fā)電系統(tǒng)的管理，能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)、離網(wǎng)、PQ 可調(diào)節(jié)三種工作模式，操作簡單、運行可靠。

1 逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

分布式發(fā)電中用的并網(wǎng)逆變器特點是功率等級小，但集成的功能較多，較傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器更智能。本文設(shè)計的逆變器可接入兩路獨立的光伏發(fā)電單元和一路儲能單元，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

這里設(shè)計的系統(tǒng)，光伏電池板的電壓一般在150～300V 左右，儲能蓄電池系統(tǒng)的電壓一般在45～65V 左右。逆變器主要由四部分組成：兩個BOOST升壓DC/DC 變換器，用來接兩路獨立的光伏發(fā)電，實現(xiàn)升壓、MPPT 等功能；一個雙向DC/DC 變換電路，采用DAB 拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)升、降壓和對于蓄電池的充放電，通過對電池的充放電兼顧穩(wěn)定直流BUS電壓等功能；一個單相逆變電路，采用H 橋結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)逆變并網(wǎng)、離網(wǎng)、PQ 可調(diào)節(jié)等功能。

2 逆變器整體控制策略

2.1 并網(wǎng)模式控制策略

在并網(wǎng)工作模式下，要求光伏電池板輸出最大功率，電池盡量保持電量充足，系統(tǒng)發(fā)出的有功功率并入電網(wǎng)中。此時，兩個BOOST 電路都工作在MPPT 策略模式，其控制框圖如圖2所示。

圖2 BOOST 電壓的MPPT 控制框圖

DAB在蓄電池電量充足的情況下，工作在熱待機狀態(tài)；在蓄電池電量不足的情況下，工作在適當(dāng)?shù)某潆姞顟B(tài)。圖3 為DAB在并網(wǎng)模式下的控制框圖。

圖3 并網(wǎng)模式DAB控制框圖

為保證直流BUS電壓的穩(wěn)定，同時將逆變器系統(tǒng)的發(fā)電功率并入電網(wǎng)，H 橋電路采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的控制策略，控制框圖如圖4所示。

圖4 并網(wǎng)模式H 橋電路控制框圖

2.2 離網(wǎng)模式控制策略

在離網(wǎng)模式下，要求逆變器為一個獨立的電壓源，所以輸出功率的大小無法控制。H 橋要負責(zé)控制輸出電壓為220V、50Hz的正弦波，其電壓外環(huán)的給定由原來的直流電壓改成交流輸出電壓。具體控制框圖如圖5所示。

圖5 離網(wǎng)模式H 橋電路控制框圖

H 橋要控制輸出電壓，所以直流BUS 電壓的穩(wěn)定不能再由H 橋電路負責(zé)，這里用DAB電路通過對電池的充放電，來穩(wěn)定直流BUS電壓。圖6是離網(wǎng)模式下DAB電路的控制策略框圖。

圖6 離網(wǎng)模式DAB控制框圖

電池電量過高，光伏電池板發(fā)電功率大于獨立模式下負載的功率時，BOOST 選擇棄光，保證系統(tǒng)正常運行。電池電量過低，只能根據(jù)用戶的不同選擇，停機或減小逆變器系統(tǒng)所帶負載，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.3 PQ 可調(diào)度模式控制策略

整個逆變器系統(tǒng)作為一個微電源接入電網(wǎng)時，為保證和諧地接入，要求逆變器系統(tǒng)可以工作在PQ 可調(diào)度模式。逆變器要按PQ 指令輸出功率，不能穩(wěn)定直流BUS電壓。所以，這種情況下，H 橋的外環(huán)指令來源于PQ 給定值，其控制框圖如圖7所示。

圖7 PQ 可調(diào)度模式H 橋電路控制框圖

這種情況下H 橋電路仍然不能穩(wěn)定直流BUS電壓，所以還是由DAB通過控制電池的充放電來穩(wěn)定直流BUS電壓，其控制框圖如圖8所示。

圖8 PQ 可調(diào)度模式DAB控制框圖

電池電量過高時，DAB 不能再進行對蓄電池的充電操作，光伏電池板發(fā)電功率大于PQ 調(diào)試指令的給定值時，BOOST選擇棄光，保證系統(tǒng)正常運行。電池電量過低，DAB 不能再進行對蓄電池放電的操作，只能根據(jù)用戶的不同選擇，停機或減小PQ 調(diào)度指令，以保證系統(tǒng)正常運行。

3 數(shù)字控制系統(tǒng)的分層實現(xiàn)方法

智能逆變器系統(tǒng)設(shè)計三套DSP核心控制板，兩個BOOST電路一套，DAB一套，H 橋逆變電路一套。針對不同的工作模式，各單元的分工不同，選擇的控制策略也不同。為達到通訊速度要求，這里設(shè)計將模式選擇和模式切換的控制寫在上位機控制屏的組態(tài)軟件中，上位機提供整個逆變器系統(tǒng)的人機交互界面，并通過485通訊方式與各單元連接。人工選擇工作模式通過控制屏下達給逆變器各個單元的DSP控制核心控制板，而每個模式下電力電子控制算法則直接在各單位自己的DSP 控制器中。不同模式下控制算法所要檢測的量也全部能通過檢測電路的方式將信息傳到DSP中，以保證處理速度。智能逆變器系統(tǒng)分層控制圖如圖9所示。

圖9 分層控制示意框圖

4 仿真結(jié)果與仿真波形分析

在理論研究的基礎(chǔ)上，為驗證算法的正確性，在Matlab/Simulink 2012b平臺上對整體智能逆變器系統(tǒng)進行了仿真。下面對仿真波形進行說明分析。

圖10為逆變器系統(tǒng)在沒有和大電網(wǎng)連接的情況下運行，帶3kW 左右阻性負載的仿真波形。

圖10 離網(wǎng)模式仿真波形

其中幅值較大的為電壓波形，幅值較小的為電流波形。由電壓波形可以看出智能逆變器在作為電壓源輸出的時候，輸出電壓可以達到穩(wěn)定有效值220V、頻率50Hz的要求。

圖11為并網(wǎng)模式下，逆變器系統(tǒng)并網(wǎng)點的電壓、電流波形，可以看出電流的大小在逆變器啟動的前幾個周期有一定波動。這是因為BOOST 電路在啟動的前幾個周期MPPT 算法的調(diào)節(jié)過程使得直流電壓波動較快，H 橋為穩(wěn)定直流電壓，輸出的電流有一定的波動，在幾個周期后達到穩(wěn)定?？梢钥闯瞿孀兤髡w向電網(wǎng)輸出的電流不斷增大，到最大功率點后達到穩(wěn)定。功率因數(shù)為1，波形畸變很小。

圖12為PQ 可調(diào)度模式下逆變器并網(wǎng)點輸出的電壓、電流波形，指令給定為有功功率3kW、無功功率2kW，可以看出，輸出功率與調(diào)度指令相符。

圖12 PQ 可調(diào)度模式仿真波形

5 實驗結(jié)果與實驗波形分析

在理論和仿真的研究基礎(chǔ)上，搭建了一個5kVA 級別的智能逆變器系統(tǒng)實驗平臺。光伏電池板用GSS可編程直流電源模擬，蓄電池采用48 V、120 Ah 的鋰電池，控制器均采用DSP28335，上位機控制屏采用昆侖通態(tài)的TPC7062K。圖13～15分別給出了三種模式下逆變器運行的實驗波形，可以看出逆變器的功能基本實現(xiàn)，證明了理論的正確性和可行性。

6 總結(jié)與展望

針對分布式發(fā)電的特點，本文提出了一種應(yīng)用于戶用小功率發(fā)電系統(tǒng)中的智能逆變器，實現(xiàn)了逆變器的多端口接入功能，可同時接入兩路光伏發(fā)電和一路儲能，實現(xiàn)了并網(wǎng)、離網(wǎng)、PQ 可調(diào)度三種工作模式。文中給出了詳細的理論推導(dǎo)和控制策略的說明，并對整個逆變器系統(tǒng)進行了仿真和實驗驗證，通過對仿真和實驗結(jié)果的說明和分析，驗證了理論的正確性和可行性。

圖13 離網(wǎng)模式實驗波形

圖14 并網(wǎng)模式實驗波形

圖15 PQ 可調(diào)度模式實驗波形

本文通過實驗平臺的驗證，證明了三種模式的控制理論的正確性，同時在做實驗的過程中也發(fā)現(xiàn)了新的問題。比如，在獨立模式運行的時候，帶容性負載和感性負載的比例過大時會發(fā)生電壓控制不穩(wěn)定的情況。下一步可以對逆變器獨立運行時帶不同負載的能力進行深入研究。

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