基于瞬时电流跟踪的三相光伏逆变器并网控制策略研究

吴小雅

(广东电网有限责任公司肇庆供电局，广东 肇庆 526000)



基于瞬时电流跟踪的三相光伏逆变器并网控制策略研究

吴小雅

(广东电网有限责任公司肇庆供电局，广东 肇庆 526000)

摘要：在分析光伏逆变器交直流侧的能量传递关系基础上，提出一种基于瞬时电流跟踪方式的并网控制策略。该策略的功率外环考虑到了光伏方阵模块的功率变化及直流电容器的充放电过程等因素，内环采用滞环电流控制的方式对参考电流进行跟踪，具有电流谐波小、响应速度快、控制参数容易整定等优点；同时给出了光伏逆变器的启动控制策略，防止启动电流过大损坏功率开关器件。最后在PSCAD/EMTDC中建立了三相光伏并网系统的仿真模型，数字仿真验证了以上控制策略的有效性。

关键词：光伏；三相逆变器；滞环电流控制；启动控制；PSCAD/EMTDC

随着人们对能源危机和环境保护等问题的重视，以太阳能利用为基础的光伏发电系统得到了广泛应用。光伏发电系统主要包括光伏方阵模块、三相逆变器、电网等部分[1]。三相光伏逆变器的并网控制策略是光伏发电系统实现的关键技术之一，国内外提出了很多的控制方案。文献[2]采用了电压电流双闭环控制策略，瞬时电流的跟踪采用基于三角载波的正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)方式实现，没有考虑到光伏电池的输出功率随外在因素变化的问题，且电流跟踪慢。文献[3]提出了单相光伏逆变器中基于电流的比例积分(proportional plus integral，PI)控制策略，但没有讨论系统外环控制的问题，没有推广到三相系统中。文献[4]指出光伏发电系统中的电压源逆变器采用电流控制方式优于电压控制方式，说明了功率外环代替电压外环的必要性，但没有考虑逆变器直流侧电容充放电的影响。文献[5-6]采用了电流dq解耦控制算法，能对光伏逆变器有功和无功进行独立控制，但该算法存在控制参数整定难、电流响应速度不够快等缺点。文献[7-9]采用了比较先进的无差拍电流解耦控制算法，可以减少逆变器输出电流畸变率，加快电流响应速度，但该算法建立在精确电路模型和状态观测器的基础上，对主电路参数的依赖程度比较高。

本文在上述研究的基础上，提出了一种改进的三相光伏逆变器的控制策略，考虑了光伏电池的功率变化对逆变器输出有功功率的影响以及直流侧电容的充放电问题，同时给出了启动控制方案。

1系统电路结构

光伏方阵模块的U-I特性曲线如图1所示，在讨论光伏逆变器的控制策略时，可以将之等效为受控电流源[10]，其输出的电流受外部电压的影响，系统电路结构如图2所示。

图1　光伏方阵模块的U-I特性曲线

PCC为公共连接点，point of common coupling的缩写；A、B、C均为光伏逆变器的交流侧电气连接点；P和N分别为光伏逆变器直流侧正极和负极。图2　三相逆变器电路结构

(1)

(2)

2三相光伏逆变器控制策略

1.1功率外环

PLL为锁相环，phase locked loop的缩写；us,abc为公共连接点处电压。图3　功率外环控制框图

1.2电流内环

图4　电流内环控制框图

3光伏逆变器启动控制策略

光伏逆变器的启动过程为：向逆变器的直流电容器充电，使其达到一定的电压水平，从而使光伏方阵能够工作在最大功率点附近，向外提供有功功率。而在直流电容器电压未达到一定水平之前，充电功率只能靠系统侧倒送提供。由于交流侧的等效电阻非常小，若直接将各功率开关器件封锁，通过反向二极管整流方式对直流电容充电，则充电电流会非常大，很可能损坏开关管。为了限制充电电流，本文采用串电阻启动方式，如图5所示，即在交流侧串接一个限流电阻，在启动过程中，将断路器QF断开，使限流电阻处于工作状态，交流系统通过限流电阻对电容器进行充电，当启动过程结束时，将QF合上。

图5　串电阻启动

4仿真验证

为了验证以上控制策略的有效性，在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型，主电路结构如图5所示，光伏方阵模块由光伏组件串并联模拟[15]。表1为辐照度、温度变化下光伏方阵最大功率运行点参数理论值。

表1光伏方阵最大功率运行点参数理论值

项目数值温度/℃252520辐照度/(W·m-2)1000750750最大功率点电压/kV0.9130.8960.918最大功率点电流/kA0.6000.4500.424最大功率/MW0.5480.4040.389

图6为光伏逆变器输出的电压和电流波形(为便于比较，电压值放大了10倍)。

图6　逆变器输出电压和电流波形(25 ℃,1 000 W/m2)

由图6可以看出，正常工作时光伏逆变器输出的电压和电流很好地保持了同步，光伏逆变器的功率因数基本接近1.0。

图7为逆变器输出电流经过FFT分析后得到的幅频特性，进一步计算得到逆变器输出电流总谐波系数为4%，从而验证了以上控制策略具有良好的谐波特性。

图7　逆变器输出电流的幅频特性(25 ℃,1 000 W/m2)

图8为并网逆变器输出的有功功率和无功功率波形，在t=1.0 s时，逆变器输出的有功功率因辐照度减少而减小；在t=2.0 s时，逆变器输出的有功功率因温度降低而减小。说明当光伏方阵因辐照度、温度等外部因素输出有功功率发生变化时(见表1)，光伏逆变器的输出有功功率能够及时做出相应的调整，而无功功率不受影响，仍保持为零。

图8　逆变器输出有功功率和无功功率波形

图9为直流侧电容电压波形。从图9可以看出，当光伏方阵因辐照度、温度等外部因素发生变化时，光伏逆变器控制系统能使直流侧电压快速地跟随最大功率点电压理论值，整个系统仍保持稳定运行。

图9　直流侧电容电压波形

5结束语

本文针对三相光伏逆变器并网系统，在分析交直流侧能量传递关系基础上，提出一种新的控制策略。该策略考虑到了光伏方阵模块的功率变化及直流电容器的充放电过程等因素，与双闭环控制策略相比，该控制系统只涉及一个PI环节，大大简化了控制参数的设计，可以推广到其他分布式能源的并网控制；串电阻启动控制策略在电路上易实现，而且可以很好地限制直流电容器在启动过程中的充电电流和保护功率开关器件。

参考文献：

[1] 王玲，盛超，徐柏榆，等.光伏发电系统的运行特性及其等效描述[J].广东电力，2012，25(3)：57-64.

WANG Ling, SHENG Chao, XU Baiyu, et al. Operating Characteristics of Photovoltaic Power Generation System and Its Equivalent Description[J]. Guangdong Electric Power, 2012, 25(3): 57-64.

[2] 李冬辉，王鹤雄，朱晓丹，等.光伏并网发电系统几个关键问题的研究[J].电力系统保护与控制，2010，38(21)：208-214.

LI Donghui, WANG Hexiong, ZHU Xiaodan, et al. Research on Several Critical Problems of Photovoltaic Grid-connected Generation System[J]. Power System Protection and Control, 2010,38(21): 208-214.

[3] 钱念书.基于PI控制的单相光伏并网逆变器的仿真研究[J].广东电力，2012，25(12)：57-60.

QIAN Nianshu. Simulation Research on Single Phase Solar Inverter Based on PI Control[J]. Guangdong Electric Power, 2012,25(12): 57-60.

[4] 王章权，张超，何湘宁.瞬时电流控制策略在光伏并网发电系统中的应用[J].电气应用，2007，26(4)：58-60.

WANG Zhangqun, ZHANG Chao, HE Xiangning. The Control Strategies of Instantaneous Current on the PV Grid-connected Generation[J]. Electrontechnical Application, 2007,26(4): 58-60.

[5] 张琪祁，徐政.基于电流解耦控制的光伏并网系统仿真研究[J].机电工程，2010，27(11)：95-98.

ZHANG Qiqi, XU Zheng. Simulation Analysis of a Grid-connected PV System Based on Current Decoupled Controlling[J]. Journal of Mechanical & Electrical, 2010,27(11):95-98.

[6] AMIRNASER Y, PRAJNA P D. A Control Methodology and Characterization of Dynamics for a Photovoltaic System Interfaced with a Distribution Network [J]. IEEE Transaction on Power Delivery, 2009,24(3):1538-1551.

[7] QI Chunqing, YANG Yong. Deadbeat Decoupling Control of Three-phase Photovoltaic Grid-connected Inverters[C]//Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, Changchun, Jilin, China: 2009:3843-3848.

[8] MOHAMED Y A R, EL-SAADANY E F. An Improved Deadbeat Current Control Scheme with a Novel Adaptive Self-tuning Load Model for a Three-phase PWM Voltage-source Inverter[J].IEEE Transactions Ind. Electron, 2007,54(2):747-759.

[9] 张喜军，焦翠平，任晓鹏，等.预测电流无差拍控制的并网型三相光伏逆变器[J].电力电子技术，2009，43(10)：71-73.

ZHANG Xijun, JIAO Cuiping, REN Xiaopeng, et al. Prediction Current Deadbeat Control of PV Grid-connected Inverter[J].Power Electronics, 2009,43(10):71-73.

[10] 张承慧，叶颖，陈阿莲，等.基于输出电流控制的光伏并网逆变电源[J].电工技术学报，2007，22(8)：41-45.

ZHANG Chenghui, YE Ying, CHEN A-lian, et al. Resarch on Grid-connected Photovoltaic Inverter Based on Output Current Control[J]. Transaction of China Electro-technical Society,2007, 22(8):41-45.

[11] 黎小林，黄莹，谢施君，等.基于PACAD/EMTDC的锁相环建模与性能分析[J].南方电网技术，2008，2(4)：42-46.

LI Xiaolin, HUANG Ying, XIE Shijun, et al. Model and Analysis of PLL Based on PSCAD/EMTDC[J]. Southern Power System Technology, 2008,2(4):42-46.

[12] 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制与无功补偿[M].北京：机械工业出版社，2002.

[13] 周林，孟婧，徐会亮，等.并联有源电力滤波器三角载波与滞环比较控制策略比较与仿真[J].中国电力，2008，41(4)：25-29.

ZHOU Lin, MENG Jing, XU Huiliang, et al. Comparison and Simulation of the Methods with Triangle-wave and Hysteresis Comparison in Current Control of Shunt Active Power Filter[J]. Electric Power,2008,41(4):25-29.

[14] LIU Jun, WANG Dazhi. Study and Simulation of a Novel Hysteresis Current Control Strategy[C]// 2009 Second International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation, Changsha, Hunan, China: 2009.

[15] 冯海峰，马德林，许良军.单级式光伏并网发电系统的仿真分析[J].计算机仿真，2008，25(3)：245-250.

FENG Haifeng, MA Delin, XU Liangjun. Simulation Analysis of Single Stage Grid Connected Solar Inverter System[J].Computer Simulation, 2008,25(3): 245-250.

吴小雅(1972)，女，广东肇庆人。助理工程师，工学学士，从事电网运行与控制、电力安全生产等工作。

(编辑查黎)

Research on Grid-connection Control Strategy for Three-phase Photovoltaic

Inverter Based on Instantaneous Current Tracking

WU Xiaoya

(Zhaoqing Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Zhaoqing, Guangdong 526000, China)

Abstract：On the basis of analyzing energy transferring relationship between AC side and DC side of the photovoltaic inverter, this paper proposes a kind of grid-connection control strategy based on instantaneous current tracking. The outer loop of power of this strategy considers factors such as power transformation of the photovoltaic array module and charge and discharge process of the DC capacitor, the inner loop uses hysteresis current control mode to track reference current. This strategy has advantages such as small current harmonic, rapid response speed, easy setting on control parameters, and so on. Meanwhile, this paper provides start control strategy for photovoltaic inverter in order to prevent large start current from damaging power switching elements. In PSCAD/EMTDC software, simulation model for three-phase photovoltaic grid-connection is established and digital simulation verifies effectiveness of this control strategy.

Key words：photovoltaic; three-phase inverter; hysteresis current control; start control; PSCAD/EMTDC

作者简介：

中图分类号：TM615

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)01-0087-05

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.017

收稿日期：2015-12-14