基于偏差控制的两级式光伏系统有功调度策略

赵建荣，王林，张海龙，李瑞生

（1.西安许继电力电子技术有限公司，陕西 西安 710077；2.许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

基于偏差控制的两级式光伏系统有功调度策略

赵建荣1，王林1，张海龙1，李瑞生2

（1.西安许继电力电子技术有限公司，陕西 西安 710077；2.许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

针对两级式光伏发电系统，提出一种新型的有功调度控制策略，可以实现两级式光伏逆变器有功功率的快速平滑调度:正常运行时，前级升压斩波电路（Boost）进行最大功率点跟踪（MPPT），后级逆变器负责母线电压的控制；当有功调度指令下发时，逆变器放弃母线电压控制权，去控制输出功率下降到调度值，此时母线电压会升高，Boost电路则由MPPT控制转入母线电压控制，两级控制互不干扰，无缝切换。详述了该控制策略，并通过仿真和试验进行验证，结果验证此控制策略的可行性。

两级式光伏系统；有功调度；电压偏差控制；最大功率点跟踪（MPPT）

光伏电站在并入电网后，需要根据电网的调度指令进行有功调度，控制光伏逆变器的输出功率不高于该调度指令，若光伏逆变器当前最大输出有功不大于该调度值，逆变器按最大功率输出，否则需要对输出功率进行限制［1-2］，控制光伏电池板偏移最大功率点实现降低输出功率。

本文设计了一种调度方法，可以实现快速平滑调度。当有调度指令下发时，后级逆变器由电压控制变为功率控制，放弃直流母线的电压控制权，转为控制输出功率，前级Boost电路由MPPT控制自动转入稳压控制去控制直流母线电压，从而实现功率调度；当调度指令撤销时，前级Boost电路由稳压控制自动转入MPPT控制，后级变流器由有功调度模式转入稳压模式，重新掌握母线电压控制权。

1 控制策略

两级式光伏发电系统的拓扑结构如图1所示，后级逆变器控制直流母线电压稳定，前级Boost电路实现MPPT跟踪［3］。当进行有功调度时，控制后级逆变器的输出电流实现输出功率与调度功率匹配，但是当变流器变为功率控制时，无法控制直流母线的电压，此时母线电压需要交给前级Boost电路来实现，Boost电路需要由当前的MPPT运行模式无缝切换至稳压模式，掌握直流母线电压的控制权；当有功调度指令取消，前级Boost电路则需要从稳压运行模式平稳切换至MPPT模式，后级变流器由功率控制切换至电压控制，重新掌握母线电压的控制权。逆变器的母线电压稳压设定值要低于Boost电路的母线电压稳压设定值。

图1 两级式光伏逆变器拓扑结构Fig.1 Topology of two-stage photovoltaic inverter

1.1 前级Boost电路控制策略

Boost电路的小信号模型分析如图2［4］所示。

图2 Boost电路小信号模型Fig.2 Small signal model of Boost circuit

图2 中，R为后级逆变电路的等效电阻；L为输入电感；C为输出电容；r为电感等效串联阻抗；rc为电容等效串联阻抗。忽略电阻r与rc的影响，根据上述模型，可得到电路的小信号数学模型:

式中:iL为电感电流的扰动量；ui为输入电压的扰动量；Uo为输出电压；uo为输出电压的扰动量；D为占空比；d为占空比扰动量。

当输入电压稳定时，电压扰动ui=0，代入式（1）、式（2）中，可得到电感电流对占空比的传递函数Gid(s)为

当系统运行在孤岛状态时，须控制Boost电路输出电压，需要得到输出电压对电感电流的传递函数Gui(s)，同理根据式（1）、式（2）可得:

式（3）、式（4）为Boost电路的数学模型，通过此模型，对Boost电路的控制可采用电压电流双环控制［5］，通过电流内环去控制输入电流跟随输入电压，实现电流的自动调节，电压外环来调节和维持输出电压稳定，实现电压的自动调节。

对电压环传递函数Gui(s)以及电流环传递函数Gid(s)的校正采用比例和积分（PI）调节器，校正式［6］如下:

式中:KP为比例环节系数；KI积分环节系数。

假设电流采样滤波器为F(s)，开关器件的延时函数为D(s)，则校正后的电流环控制框图如图3所示。

图3 电流环控制框图Fig.3 Control diagram of current loop

通道增益为

图4 Boost电路控制框图Fig.4 Control diagram of boost circuit

结合波特图，可选择合适的PI参数；电压环PI参数的选取过程类似。

第一，师资力量匮乏。教职员在1938年为7355人，而到了1939年则为5919人［28］76。就师资供应而言，到1940年师范毕业生为2336人，1941年为1857人，1942年为1514人［27］13。由以上的数据可以看出，无论是教职员的数量还是师资供应数量都存在逐年减少的情况。究其原因，物价的高涨、教员待遇较差、工资较低，既会直接造成师范生舍弃本业，又会间接使师范学校招生受到影响，从而影响师资的供应。

Boost电路控制框图如图4所示。由于Boost电路需要兼顾MPPT运行以及母线电压稳压运行，故需要2个电压电流控制环路，1个为母线电压电感电流环路，校正器为PI_U与PI_I；1个为MPPT电压电感电流环路，校正器为PI_MPP与PI_I。借鉴多点直流电压偏差控制策略［7-8］，对其进行改进，应用在Boost电路的控制中，来实现2种工作模式的无缝切换。

Boost电路采集电池电压Upv与电流Ipv进行MPPT计算，得到的电压Upv_ref与实际电池电压做差，差值经过电压调节器PI_MPP输出电流控制量Imax_U，将其作为调节器PI_U的上限值。

当母线电压Udc小于设定值Udc_ref时，调节器PI_U的输出一直增大到上限值Imax_U，下限值Imin_U取0，此时相当于系统工作于MPPT模式，调节器PI_U输出Iref与实际电流Ipv经过调节器PI_I校正，输出值即为占空比，可进行PWM调制；当后级逆变器限制输出功率时，多余的能量聚积在母线，使得母线电压升高，当母线电压大于Udc_ref时，电压环调节器PI_U退出饱和，Boost电路由MPPT模式进入稳压模式，将母线电压稳定于Udc_ref，阻止母线电压的进一步升高，此时系统工作于稳压模式。

当有功调度指令取撤消，后级逆变器最大能力输出功率，母线能量减少，电压降低，低于Udc_ref时，调节器PI_U慢慢饱和，Boost电路进入MPPT工作模式，后级逆变器重新掌握母线电压的控制权。为了保证切换过程的平稳，加入母线电压前馈控制，其中K为母线电压前馈系数。

1.2 后级逆变器控制策略

后级逆变器的控制框图如图5所示，在原有逆变器dq解耦控制策略［9］的基础上加入1个功率环（虚线所示），通过开关S（调度指令）来切换运行模式，完成有功率调度。

图5 逆变电路控制框图Fig.5 Control diagram of inverter

图5中，系统实时采样三相交流相电压Uabc和三相交流电流Iabc，计算出当前有功功率Pac。

为了实现功率平滑调度，将有功调度值Pac_set斜坡化［10］后作为输出功率的参考值Pac_set_slope，即功率环的参考值从当前功率以一定步长慢慢降至调度功率值。

当调度指令下发时，开关S打到下端，将功率环的校正PI调节器输出作为电流环的参考值Id_ref，控制逆变器输出功率逐步到达调度指令值；当调度指令撤销时，开关S打到上端，逆变器恢复电压电流双闭环控制，重新掌握直流母线电压的控制权。

2 仿真及试验验证

2.1 仿真分析

在Matlab/Simulink环境下，按图1拓扑搭建两级式光伏并网逆变器的仿真模型。

仿真参数为:逆变器LCL滤波器依次为0.5mH，26 μF，0.025 mH；Boost输入电感0.25 mH；电网线电压380 V；逆变器稳压设定值700 V；Boost电路稳压设定值720 V；系统输出功率50 kW。

控制策略采用图4与图5所描述的控制思想，仿真主要完成系统在MPPT运行模式与有功调度模式之间的无缝切换，验证控制策略的可行性。

2.1.1 MPPT运行模式转有功调度模式仿真结果

MPPT运行转有功调度的仿真结果如图6、图7所示。

图6 直流母线电压和交流输出电流波形Fig.6 The DC bus voltage waveform and The AC output current waveform

图7 太阳能电池板输出电压及电流波形Fig.7 The output voltage and current waveforms of photovoltaic panels

无调度指令启动后，系统在0～0.3 s时间内运行于MPPT模式，太阳能电池板输出电压降低，电流增大，逆变器交流输出功率增大，母线电压由逆变器控制为700 V；在0.3 s时刻下发调度指令，系统从MPPT模式开始切换到有功调度模式，后级逆变器控制输出功率到调度值，前级Boost电路控制母线电压为720 V；系统在0.3～0.7 s时间内运行于有功调度模式，太阳能电池输出电压和电流保持不变，逆变器输出功率保持为调度值。

2.1.2 有功调度模式转MPPT运行模式

有功调度转MPPT运行的仿真结果如图8所示。在0～0.45 s时间内，系统是有功调度状态，逆变器控制输出功率恒定为调度值，Boost电路控制母线电压为720 V；在0.45 s时刻，撤销有功调度命令，系统从有功调度模式切换到MPPT运行模式，前级Boost电路转入MPPT运行，后级逆变器控制母线电压为700 V；在0.45～1 s内，系统处于MPPT运行模式，母线电压稳定于700 V，逆变器输出功率不断变大，稳定于最大功率点。

图8 直流母线电压和交流输出电流波形Fig.8 DC bus voltage and AC output current waveform

2.2 试验验证

为了进一步验证仿真结果，将控制策略应用于50 kW两级式光伏发电系统试验平台，用1台32 kW的PV模拟源来模拟太阳能电池板，电网电压为380 V。试验结果如图9所示。开始阶段，前级Boost变换器工作于MPPT模式，系统输出功率约30 kW，后级逆变器控制母线电压为700 V；t1时刻下发有功调度指令15 kW后，Boost变换器控制母线电压为720 V，逆变器控制输出功率达到15 kW；t2时刻撤销调度指令，Boost电路由稳压运行转为MPPT运行，后级逆变器由功率控制转为稳压控制，控制母线电压为700 V，实现了2种工作模式的无缝切换。

图9 试验结果Fig.9 The experimental result

3 结论

此策略应用于两级式光伏逆变器的有功调度，实现了快速平稳的调度，也可推广到由于输出功率的变化造成母线电压不稳的场合:当母线电压大于后级逆变器的稳压设定值时，直接由前级Boost电路接管母线电压的控制权，后级转为电流或者功率控制，完成了无缝切换。

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Active Power Qispatch Strategy of Two-stage Photovoltaic Inverter Based on Deviation Control

ZHAO Jianrong1，WANG Lin1，ZHANG Hailong1，LI Ruisheng2
（1.Xi’an XJ Power Electronics Technology Co.，Ltd.，Xi’an 710077，Shaanxi，China；2.XUJI Group Corporation，Xuchang 461000，Henan，China）

Aiming at two-stage photovoltaic power generation system，a new strategy of active power dispatch control was presented.The strategy could achieve quickly scheduling of two-stage photovoltaic inverter active power：when normal running，the boost chopper achieveed maximum power point tracking（MPPT）and the inverter had to be responsible for bus voltage control；when the active power dispatch instructions issued，inverter gave up bus voltage control and turned to control the output power decreased to the control value，at this time，the bus voltage would be rising，so the boost chopper circuit would turn to control bus voltage instead of MPPT control.Two stages′control strategies did not interfere with each other.The control strategy was described in detail，then the simulation model and test platform were set up to verify the feasibility of this control strategy.

two stage photovoltaic power generation system；active power dispatch；voltage deviation control；maximum power point tracking（MPPT）

TM615

A

10.19457/j.1001-2095.20170512

2016-04-21

修改稿日期：2016-10-14

赵建荣（1987-），男，硕士，工程师，Email:517941056@qq.com