分布式風光互補并網逆變器的控制系統設計與切換策略研究

李麗晶，王小建

（石家莊信息工程職業學院，河北 石家莊 052161）

0 引 言

我國西北地區風能和太陽能具有季節互補性。根據不同時間段可再生清潔能源的變化情況，設置風光互補的能源發電控制系統，成為西北地區發電、電能控制與利用的重要手段。分布式風光互補并網逆變器的發電控制系統，在不同時段采用風力發電機轉速-電流雙閉環和Boost基波電壓-并網電流雙閉環，結合并網逆變器、切換控制器、開關組等組成模塊，控制不同系統的外環風機轉速、內環電流以及電壓反饋值等參數，從而合理完成系統風電與光電的儲能和用電匹配工作。

1 分布式風光互補并網自動發電系統的設計

1.1 光伏電池板的發電模型

分布式光伏發電又稱分散式發電或供能，是在距離用電現場和普通用戶較近的空間位置配置光伏發電的供電系統，包括太陽能電池陣列、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）轉換器、并網逆變器、變壓器以及交流配電柜等基本設備，同時配置溫度儀、輻射儀、監控采集器等系統監控裝置，用于太陽輻射下光能和電能的轉換與傳輸控制。光伏電池板的發電模型結構，如圖1所示[1]。

圖1 光伏電池板的發電模型結構

在太陽光充足的時間段，太陽能電池陣列組件會吸收光能，并將光能轉換為電能輸出，經直流匯流箱，集中傳送至DC/DC轉換器。DC/DC轉換器通過多種信號變換控制直流電傳輸與輸出，隨后由并網逆變器將直流電逆變為交流電，為建筑用電現場和普通用戶提供電能，多余的電能則聯入電網進行調節[2]。

為保證太陽能光伏電池陣列系統的發電效率，利用基于電導增量的最大功率點追蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制方法，將光伏電池陣列輸出功率與輸出電壓比值|dP/dU|作為步長的變化系數，則k時刻的采樣值為k|dP/dU|。當|dP/dU|=0時，表明在k時刻光伏電池的工作點已達到最大功率點，即Uref(k+1)=Uref(k)。此時，DC/DC變換器作為直流電轉換電路，能夠監測太陽能發電的最大功率輸出點，然后由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和鎖相環（Phase Locked Loop，PLL）軟件執行程序發送脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）波、正弦脈寬調制（Sine Pulse Width Modulation，SPWM）波脈沖信號，控制可驅動逆變器的開關通斷，并調整DC/DC變換器電路內的開關電源占空比。

1.2 風力發電機的發電模型

風力發電機組的直流電壓和電流輸出端分別連接DC/DC變換器和電壓轉換單元的輸入端，然后與并網逆變器、箱式變壓器、儲能單元等模塊結構形成連接，從而完成某場景的用戶用電負載的自動調節[3]。主控單元中央處理器（Central Processing Unit，CPU）不僅通過PWM波控制模塊與并網逆變器、箱式變壓器連接，而且接入霍爾傳感器，用于采集風力發電機組的溫度數據和轉速數據。

根據空氣動力學原理，假設風力發電機組轉速的機械功率為Pm，機械轉矩為Tm，模型的計算公式為

式中：v為自然界空氣風速；ω為風力機轉速；ρ為空氣密度；R為風輪半徑；β為槳距角；λ為風機葉片尖端的葉尖速比；Cp為風能利用系數。在槳距角β固定的情況下，隨著風力機轉速β和葉尖速比λ等的參數變化，風能利用系數Cp會隨之發生變化。當風輪葉片尖端線速度和風速比值為λopt時，表明風能利用系數Cp達到最優，即Cp=Cp-max，得到風力發電機組轉速的最大功率為

2 分布式風光互補并網逆變器的控制系統設計

2.1 分布式風光互補并網系統的雙閉環PI控制結構

風光互補發電系統是在電流內環和電壓外環控制器的雙閉環比例積分（Proportional Integral，PI）控制結構基礎上，增加風力發電機的并網逆變器裝置，用于真實反映風力發電中電壓和電流控制信號的變化[4]。分布式風光互補并網系統的雙閉環PI控制結構，如圖2所示。

圖2 分布式風光互補并網系統的雙閉環PI控制結構

內環并網電流通過派克坐標變換方式，將轉子運行的a、b、c三相電流值投影并輸出到風力發電機轉子的d軸和q軸，并跟蹤Id和Iq的參考值。該過程中，d軸和q軸電流受到并網逆變器交流輸出d軸分量電壓、q軸分量電壓、電網電壓Es、電流交叉耦合項ωLId以及ωLIq的影響。

為消除電網電壓擾動和電流耦合擾動情況，借助PI電流調節器，采用前饋解耦控制方式，引入電流狀態反饋和電網電壓前饋分別跟蹤Id、Iq的參考值和Ud、Uq的參考值，產生與控制目標相對應的d軸和q軸電流實現電流解耦控制，具體的計算公式為

式中：Ud*、分別為并網逆變器交流輸出d軸、q軸的分量電壓的參考值；Id*、分別為并網逆變器網側有功電流和無功電流的參考值；KI、KP分別為電壓過流和過載。

風機發電系統的雙閉環PI控制是利用霍爾傳感器、功率信號反饋法追蹤風機發電機外環的轉速值，反饋得到風機的轉速給定值和實時轉速值。內環則將風機運行的a、b、c三相電流值投影輸出，得到d軸和q軸的電壓反饋值。在完成內環d軸和q軸電流、外環d軸和q軸電壓控制計算后，經PI控制器進行電流、電壓的矢量坐標變換，得到并流逆變器SPWM驅動控制信號。風機系統雙閉環PI控制策略的執行流程如圖3所示。

圖3 風機發電系統雙閉環PI控制的執行流程

2.2 風光互補并網逆變器輸出電壓的控制方式

為獲取需要的SPWM波脈沖信號，主要選取并網逆變器的電壓源輸入和電流源輸出結構，采用調制法調制輸出的電壓和電流信號波形[5]。同時，由SPWM波脈沖信號的頻率決定開關組件的輸出基波電壓脈沖寬度、脈沖間隔、開關開啟/關閉的動態頻率以及輸出電壓頻率等參數，由輸入電壓的正弦波信號wa決定并網逆變器輸出電壓的相位和幅值。因此，在并網逆變器輸出電壓的相位和幅值控制中，設置輸入電壓的正弦波幅值和載波幅值分別為WAD和WED，得到正弦波波形調整的深度N，即

當正弦波波形調整深度N≤1的情況下，開關組件輸出基波電壓W的幅值WD、逆變的電壓幅值Wout的關系為

在完成并網逆變器輸出的電壓幅值和電壓頻率調整后，通過PLL鎖相環路鎖定并網電壓、電流的相位角、幅值以及頻率，確定逆變器輸出電流反饋相位和電網電壓相位角，從而生成與電網電壓相位同步的參考電流相位信號μ，用于風機發電系統參考電流指令的調整，使該指令達到逆變器觸發的控制信號條件。

3 分布式風光互補并網自動發電系統的切換控制策略

某地區的太陽光照和風速會受自然天氣、時間等外部條件的影響，因此設定風力發電機轉速-電流雙閉環、Boost基波電壓-并網電流雙閉環控制結構的切換閾值以及2種發電模式切換的最小觸動值，以維持整個系統運轉的穩定性[6]。設置儲能蓄電池的荷電狀態（State of Charge，SoC）在10%～90%，分布式風光互補自動發電系統的工作模式和切換控制模式如表1所示。

表1 分布式風光互補自動發電系統的工作模式和切換控制模式

在不同自然天氣環境和時間等條件下，設置t時刻分布式風光互補系統受到的光照強度、風力速度分別為St、vt，那么鄰近t時刻的t+i時刻，系統所受到的光照強度、風力速度分別為St+i、vt+i，光照與風速的最小臨界值分別為St-min、vt-min。根據表1中分布式風光互補并網自動發電系統的4種工作模式，探討在實時工作過程中采取的切換策略。

（1）當St＜St-min且vt＜vt-min時，表示環境中無風無光，這時需要啟動蓄電池儲能設備，切換工作模式為01或10，給風電機DC/DC變換電路中的并網電流或轉速電流的控制提供支持，使其不出現欠流情況，同時維持并網逆變器控制信號的正常運作，直至蓄電池荷電狀態SoC＜10%時停止放電。

（2）當St＞St-min且vt＜vt-min時，表示外部環境中無風有光，此時采取Boost基波電壓-并網電流雙閉環的控制方式，由太陽能輻射光伏電池板為蓄電池充電至荷電狀態SoC＞90%時停止。同時，光電系統按照平均功率向高壓電網輸送電量，若達不到平均功率，則由蓄電池放電補充。

（3）當St＜St-min且vt＞vt-min時，表示外部環境中有風無光，此時采取風力發電機轉速外環-電流內環的雙閉環控制方式，由風電機為蓄電池充電至荷電狀態SoC＞90%時停止。同時，風電系統按照平均功率向高壓電網輸送電量，若達不到平均功率，則由蓄電池放電補充。

（4）當St＜St-min且vt＞vt-min時，表示外部環境中有風有光，此時采取01工作模式或10工作模式，并根據光能、風能發生的現狀切換2種工作模式，為蓄電池充電至荷電狀態SoC＞90%時停止。同時，分布式風光互補并網發電系統按照平均功率向高壓電網輸送電量，若有余量，可靈活控制MPPT的連通或斷開。

4 結 論

文章研究了分布式風光互補并網逆變器的控制系統設計與切換策略。由于風光互補型發電儲能組件的發電量和輸出功率與當地區域用電現場的用電量之間存在供電和輸電的關聯關系，利用雙閉環PI控制電路和PLL鎖相環路，能夠構建分布式風光互補并網逆變器的控制系統，同時利用風電機轉速-電流雙閉環和Boost基波電壓-并網電流的雙閉環結構，可以控制系統外環電壓、內環電流、電壓反饋值以及并網逆變器輸出電壓等參數，有利于發電系統的穩定運行。根據不同自然天氣環境和時間條件下的光照風速，調整風光互補自動發電系統的工作模式、切換控制模式，能夠合理控制雙閉環PI電路，達成高效的風光發電與輸能目標。