小型多模式智能逆变器控制方法研究

叶 青

（上海电力新能源发展有限公司，上海200010）

0 引言

随着分布式发电技术的发展，光伏发电不再只是集中电站并网的形式，越来越多的分布式光伏发电接入电网中。为推动分布式发电的应用，国家发展改革委2013年印发关于《分布式发电管理暂行办法》，提出对于分布式发电，电网企业应提供并网服务，政府给予一定补贴等规定。2～5kW 小型光伏并网系统将会成为未来光伏发电的主流，而并网逆变器是发电系统的核心设备。

本文针对分布式发电的特点，提出一种多端口输入的新型逆变器拓扑结构，可同时接入两路光伏发电单元和一路储能单元，并给出了逆变器的整体硬件结构，对其控制策略进行了详细说明。在理论研究的基础上，进行了仿真和实验验证，仿真和实验结果表明，理论正确可行，多端口逆变器能够很好地实现对于分布式发电系统的管理，能够实现并网、离网、PQ 可调节三种工作模式，操作简单、运行可靠。

1 逆变器拓扑结构

分布式发电中用的并网逆变器特点是功率等级小，但集成的功能较多，较传统并网逆变器更智能。本文设计的逆变器可接入两路独立的光伏发电单元和一路储能单元，具体结构如图1所示。

图1 智能逆变器系统结构

这里设计的系统，光伏电池板的电压一般在150～300V 左右，储能蓄电池系统的电压一般在45～65V 左右。逆变器主要由四部分组成：两个BOOST升压DC/DC 变换器，用来接两路独立的光伏发电，实现升压、MPPT 等功能；一个双向DC/DC 变换电路，采用DAB 拓扑结构，实现升、降压和对于蓄电池的充放电，通过对电池的充放电兼顾稳定直流BUS电压等功能；一个单相逆变电路，采用H 桥结构，实现逆变并网、离网、PQ 可调节等功能。

2 逆变器整体控制策略

2.1 并网模式控制策略

在并网工作模式下，要求光伏电池板输出最大功率，电池尽量保持电量充足，系统发出的有功功率并入电网中。此时，两个BOOST 电路都工作在MPPT 策略模式，其控制框图如图2所示。

图2 BOOST 电压的MPPT 控制框图

DAB在蓄电池电量充足的情况下，工作在热待机状态；在蓄电池电量不足的情况下，工作在适当的充电状态。图3 为DAB在并网模式下的控制框图。

图3 并网模式DAB控制框图

为保证直流BUS电压的稳定，同时将逆变器系统的发电功率并入电网，H 桥电路采用电流内环、电压外环的控制策略，控制框图如图4所示。

图4 并网模式H 桥电路控制框图

2.2 离网模式控制策略

在离网模式下，要求逆变器为一个独立的电压源，所以输出功率的大小无法控制。H 桥要负责控制输出电压为220V、50Hz的正弦波，其电压外环的给定由原来的直流电压改成交流输出电压。具体控制框图如图5所示。

图5 离网模式H 桥电路控制框图

H 桥要控制输出电压，所以直流BUS 电压的稳定不能再由H 桥电路负责，这里用DAB电路通过对电池的充放电，来稳定直流BUS电压。图6是离网模式下DAB电路的控制策略框图。

图6 离网模式DAB控制框图

电池电量过高，光伏电池板发电功率大于独立模式下负载的功率时，BOOST 选择弃光，保证系统正常运行。电池电量过低，只能根据用户的不同选择，停机或减小逆变器系统所带负载，以保证系统稳定运行。

2.3 PQ 可调度模式控制策略

整个逆变器系统作为一个微电源接入电网时，为保证和谐地接入，要求逆变器系统可以工作在PQ 可调度模式。逆变器要按PQ 指令输出功率，不能稳定直流BUS电压。所以，这种情况下，H 桥的外环指令来源于PQ 给定值，其控制框图如图7所示。

图7 PQ 可调度模式H 桥电路控制框图

这种情况下H 桥电路仍然不能稳定直流BUS电压，所以还是由DAB通过控制电池的充放电来稳定直流BUS电压，其控制框图如图8所示。

图8 PQ 可调度模式DAB控制框图

电池电量过高时，DAB 不能再进行对蓄电池的充电操作，光伏电池板发电功率大于PQ 调试指令的给定值时，BOOST选择弃光，保证系统正常运行。电池电量过低，DAB 不能再进行对蓄电池放电的操作，只能根据用户的不同选择，停机或减小PQ 调度指令，以保证系统正常运行。

3 数字控制系统的分层实现方法

智能逆变器系统设计三套DSP核心控制板，两个BOOST电路一套，DAB一套，H 桥逆变电路一套。针对不同的工作模式，各单元的分工不同，选择的控制策略也不同。为达到通讯速度要求，这里设计将模式选择和模式切换的控制写在上位机控制屏的组态软件中，上位机提供整个逆变器系统的人机交互界面，并通过485通讯方式与各单元连接。人工选择工作模式通过控制屏下达给逆变器各个单元的DSP控制核心控制板，而每个模式下电力电子控制算法则直接在各单位自己的DSP 控制器中。不同模式下控制算法所要检测的量也全部能通过检测电路的方式将信息传到DSP中，以保证处理速度。智能逆变器系统分层控制图如图9所示。

图9 分层控制示意框图

4 仿真结果与仿真波形分析

在理论研究的基础上，为验证算法的正确性，在Matlab/Simulink 2012b平台上对整体智能逆变器系统进行了仿真。下面对仿真波形进行说明分析。

图10为逆变器系统在没有和大电网连接的情况下运行，带3kW 左右阻性负载的仿真波形。

图10 离网模式仿真波形

其中幅值较大的为电压波形，幅值较小的为电流波形。由电压波形可以看出智能逆变器在作为电压源输出的时候，输出电压可以达到稳定有效值220V、频率50Hz的要求。

图11为并网模式下，逆变器系统并网点的电压、电流波形，可以看出电流的大小在逆变器启动的前几个周期有一定波动。这是因为BOOST 电路在启动的前几个周期MPPT 算法的调节过程使得直流电压波动较快，H 桥为稳定直流电压，输出的电流有一定的波动，在几个周期后达到稳定。可以看出逆变器整体向电网输出的电流不断增大，到最大功率点后达到稳定。功率因数为1，波形畸变很小。

图12为PQ 可调度模式下逆变器并网点输出的电压、电流波形，指令给定为有功功率3kW、无功功率2kW，可以看出，输出功率与调度指令相符。

图12 PQ 可调度模式仿真波形

5 实验结果与实验波形分析

在理论和仿真的研究基础上，搭建了一个5kVA 级别的智能逆变器系统实验平台。光伏电池板用GSS可编程直流电源模拟，蓄电池采用48 V、120 Ah 的锂电池，控制器均采用DSP28335，上位机控制屏采用昆仑通态的TPC7062K。图13～15分别给出了三种模式下逆变器运行的实验波形，可以看出逆变器的功能基本实现，证明了理论的正确性和可行性。

6 总结与展望

针对分布式发电的特点，本文提出了一种应用于户用小功率发电系统中的智能逆变器，实现了逆变器的多端口接入功能，可同时接入两路光伏发电和一路储能，实现了并网、离网、PQ 可调度三种工作模式。文中给出了详细的理论推导和控制策略的说明，并对整个逆变器系统进行了仿真和实验验证，通过对仿真和实验结果的说明和分析，验证了理论的正确性和可行性。

图13 离网模式实验波形

图14 并网模式实验波形

图15 PQ 可调度模式实验波形

本文通过实验平台的验证，证明了三种模式的控制理论的正确性，同时在做实验的过程中也发现了新的问题。比如，在独立模式运行的时候，带容性负载和感性负载的比例过大时会发生电压控制不稳定的情况。下一步可以对逆变器独立运行时带不同负载的能力进行深入研究。

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