微網光伏雙模式逆變器雙環控制策略研究

李獻忠, 郭朝令, 郭國慶

(鄭州電力高等專科學校,河南 鄭州 450007)

隨著傳統能源的枯竭，可再生能源開發與利用不斷增加，國際可再生能源署發布了《全球能源轉型：2050年路線圖》(2019版)，按照基于可再生能源技術的低碳技術路徑，到2050年，可再生發電總量將增加7倍,在一次能源供應中的占比將上升到66%，其中約有86%來源于可再生能源發電，到2050年，太陽能發電裝機容量約為8500 GW[1],新能源微網系統將在電力系統中占據越來越重要的位置。為了使微網系統能適用實際電網擾動和孤島工況，要求能并網/離網運行且具有較好切換能力，因此，雙模式逆變器控制研究具有廣闊的前景[2-4]。文獻[5]雙模控制系統中并網模式下采用電感電流單環控制，造成系統諧波大。文獻[6-7]利用檢測并網開關運行情況過渡算法來實現離網/并網平滑切換，存在電壓電流突變。文獻[2，8]采用并網模式下并網電流單環控制，與雙環相比存在電壓電流突變，諧波含量大，系統抗干擾能力差等問題。

針對上述存在的問題，本文結合并網/離網模式的獨立運行控制特點,提出了雙模式逆變器在電網基波頻率同步旋轉坐標系下雙環控制策略。當系統并網時采用直流母線電壓外環電流內環實現對單位功率因素的控制策略，系統在離網模式時采用電容電壓外環電感電流內環控制策略。為實現雙模式無縫切換，采取電流控制離網運行模式，并由于數字控制器(digital signal processing,DSP)的出現[6]，為雙模式平滑切換提供了方便。

1 三相光伏雙模式逆變器控制策略

圖1為三相雙模式逆變器主電路拓撲結構，主要由三相PWM逆變器、LC濾波電路、逆變輸出側等效阻抗Z，重要負載等組成，逆變系統與公共電網之間通過并網靜態開關連接[9]。

圖1 三相雙模式逆變器主電路

根據該雙模式逆變器系統工況，有并網模式、離網模式以及并網/離網切換過程3個工作狀態。大電網正常運行時光伏系統工作于并網模式，此時并網靜態開關處于閉合狀態，逆變系統一般采用電流控制，此時逆變器相當于電流源，與電壓控制相比，具有不易出現環流的特點。當實際電網出現故障或系統需要調度時，并網靜態開關斷開，逆變系統運行于離網模式，一般采用電壓控制[2]，此時逆變器作為一個電壓源，輸出穩定的電壓能夠滿足負載電壓需求。當逆變器需要在兩種模式切換時，為減小系統產生很大的電壓電流沖擊，需作到無縫切換[7]。

1.1 離網模式逆變控制策略

當檢測到逆變器輸出電流與電網的頻率、相位不一致，斷開靜態開關，系統運行于離網模式，其三相電壓型無源逆變電路的結構如圖2所示。

圖2 三相無源逆變器主電路

圖2中參數表示意義與圖1一致，其中逆變側輸出電壓V，濾波電感L上的電流i，負載電壓VL1，負載電流iL1，對L、C列寫方程，得到式(1)[8]：

考慮三相對稱平衡性，根據坐標變換規律，推出離網兩相同步旋轉坐標系下的電壓、電流狀態方程：

從式(2)可以看出這是一個強耦合系統，d、q軸上參數會產生相互影響[9],可通過解耦控制消除相互之間耦合的影響。圖3為電壓電流雙環控制系統結構。

圖3 離網雙環控制

1.2 并網模式逆變控制策略

對三相電壓型PWM有源逆變器建模，由文獻[12]可知，在系統穩態情況下，旋轉坐標系下的id、iq均為直流量。為了將中間直流母線電壓和網側電流控制在給定值，設eq=0，本系統采用同步旋轉坐標系下基于PI調節器的電壓矢量跟蹤電流控制策略，如圖4所示。

圖4 并網雙環控制

1.3 并網/離網雙模式切換

由于模態切換動作與并網或者離網開關動作可能不一致，在系統切換中存在兩個狀態：電壓控制并網運行和電流控制離網運行。若以電壓控制并網作為切換過程狀態，將會與電網構成環流[10]，所以在系統切換過程中一般采用電流控制離網狀態來實現模式平滑切換。

以離網模式轉為并網模式過程為例：并網前應檢測電網電壓是否滿足并網要求，然后再調整逆變器的輸出電流是否與電網電壓同頻同相。調整過程中逆變系統從電壓控制運行切換為電流控制運行，此時檢測負載電流，調節并網電流的參考值等于負載電流，由于過零點時電壓幅值很小，在電網電壓過零點時合上并網開關，將減少電壓沖擊，再一次檢測逆變器的輸出電流是否與電網電壓同頻同相，最后與電網電壓鎖相。圖5為兩種模態切換的工作流程。

(a)離網切換到并網流程

(b)并網切換到離網流程

2 仿真結果分析

設定初始條件：設計9 kW光伏逆變器,逆變器輸入端電壓udc=700 V，電網電壓380 V AC；逆變器開關頻率10 Hz；額定輸出相電流13 A RMS(root mean square)；并網電流基波頻率為50 Hz；本地負載為10 kΩ的純阻性負載；電流環PI調節器的參數Kip=20，Kii=0.1。電壓環PI調節器的參數Kvi=10，Kvp=0.1；運用Matlab/Simulink軟件建立仿真模型，設置仿真時間為0.25 s，算法采用ode 23 s[13]，采樣時間(5×10-7)s。

2.1 逆變系統從離網到并網切換

離網切換到并網模式時的波形見圖6。

(a)電網電壓波形

(b)逆變器輸出電流波形

(c) 電網電流波形

(d) 諧波分布

從圖6中可以看出，逆變器在離網模式時，系統輸出電壓電流波形穩定，當運行于0.15 s時，逆變器從離網模式平滑切換到并網模式，輸出電壓波形穩定，如圖6(a)所示。逆變器輸出電流在切換點附近，有少量的沖擊電流產生，只是在切換點附近有毛刺，如圖6(b)所示。電網電流從0變成額定值，平滑地過渡到電網電流，并在2個工頻周期內完成與電網電壓鎖相，如圖6(c)所示。并通過圖6(d)中諧波分布顯示可知，THD=4.33%，滿足并網質量要求。

2.2 逆變系統從并網到離網切換

從圖7中可以看出，逆變器在并網模式時，能實現單位功率因數并網，且諧波含量少；當系統在0.15 s時，逆變器從并網模式切換到離網模式，電網電壓和逆變器輸出電流波形不變化，只是在切換點附近有少許毛刺，并在2個工頻周期內系統達到穩定。

(a)電網電壓波形

(b)逆變器輸出電流波形

3 結 論

針對光伏系統并網單環控制及并網/離網切換過程中，易產生電壓電流突變，諧波含量高，抗干擾能力差等問題，提出了微網光伏雙模式逆變器雙環控制策略和無縫切換控制方法。仿真結果表明，逆變器在并網模式時能實現單位功率因數并網，諧波少，提高了電能的質量；逆變器在離網模式時能給重要負載穩定供電；離網切換到并網時有效減小了電壓電流沖擊，而且逆變器輸出電流能在2個工頻周期內完成電網電壓的鎖相，達到并網要求；并網切換到離網時，逆變器輸出電壓由電網電壓平滑地過渡到負載電壓給定值，能夠實現無縫切換。整個系統控制策略方案可行，運行可靠性高。