市电和光伏联合供电运行的控制策略研究

刘家琪，刘 嵩，韦亚萍,李 坤

(1.湖北民族大学 信息工程学院，湖北 恩施 445000；2.湖北民族大学 新材料与机电工程学院，湖北 恩施 445000)

近年来，随着科学技术尤其是分子化学技术的飞速发展，在降低太阳能电池板制造成本的同时还大大优化了太阳能电池板的性能，使得太阳能发电优势更加明显，在世界范围内的利用也更加广泛[1-2].但受限于光伏转换的发电特性，当没有太阳光或者太阳光不充足的时候，其太阳能发电系统的输出功率会大幅降低，这会使得需要持续稳定供电的用电负载无法工作.如果单纯使用市政电源，虽能解决负载持续用电问题，但清洁能源太阳能没能充分利用而白白浪费.为了既保证负载用电，又充分利用清洁能源太阳能，本文提出了一种市电和光伏互补运行的供电模式.由于家用负载大多以使用单相交流电为主，因此本文主要讨论单相光伏并网逆变器系统.通过将广义二阶比例复数积分控制引入到单相并网逆变器的控制中，并与电网电压前馈控制和重复控制构成复合控制策略，对市电和光伏互补运行系统的能量控制起到较好控制效果，实现了优先使用光伏，光伏发电量不足时再由市电补足差额部分，既保证负载用电不断，又能充分利用清洁能源，且光伏侧不会向市电侧馈电，避免对大电网产生谐波污染[3].

图1 市电和光伏联合供电运行系统ⅠFig.1 Operation system Ⅰ of combined power supply of city electricity and photoelectricity

图2 市电和光伏联合供电运行系统ⅡFig.2 Operation system Ⅱ of combined power supply of city electricity and photoelectricity

图3 市电和光伏联合供电运行系统ⅢFig.3 Operation system Ⅲ of combined power supply of city electricity and photoelectricity

1 互补运行系统拓扑设计

1.1 系统基本结构

传统市电和光伏互补运行系统如图1所示，通过控制接触器的投切，来转换太阳能电网供电和市政电网供电的供电模式.此种供电模式下无法保证清洁能源太阳能的最大程度利用.

另外一种市电和光伏互补运行系统如图2所示，首先通过功率因素校正变换器将市政电网电能转换成直流电，再利用DC/DC变换器对光伏进行升压，然后在直流母线端进行并网，用来供给负载使用.此供电模式下，光伏不会向市电侧进行馈电流动，但是在实际使用时无法保证优先使用清洁能源.且家用负载以单相交流居多，以此模式进行供电在使用侧会产生较多不便.

为解决现有市电和光伏互补运行系统中难以同时实现优先利用清洁能源和不向市网端馈电的问题，本文提出了一种市电和光伏互补运行供电系统，硬件连接结构如下面图3所示.

该市电和光伏互补运行供电系统不采用接触器等装置，将太阳能发出的直流电经单相光伏并网逆变器处理后与市政电网在交流侧进行并网，然后同步供给交流负载使用.将市电作为光伏的后补电源，优先、充分利用清洁能源，最大程度减少由于火力发电所带来的环境污染，并且无谐波注入电网，避免了对大电网稳定性的影响.

1.2 逆变器拓扑结构

1.2.1 逆变器结构分类 目前常用光伏逆变器主要分为单级式、双级式和多级式.单级式光伏逆变器只实现一次能量变换，拓扑结构简单.但需利用一级能量控制同时实现前面的太阳能最大功率跟踪和后级的逆变控制，最终的控制效果难以精确和理想.除此之外，由于缺少了升压环节，此时只能靠太阳能电池板的串并联来实现电压的变化，提升了系统搭建的难度，更易造成安全隐患.

双级式光伏逆变器基本原理就是将能量变换由一级变为两级，分别实现不同功能.前一级解决太阳能电池板电压过低的问题，对其利用DC/DC电路进行升压，并同步实现MPPT的控制，保证组件的最大功率输出.后一级利用DC/AC电路实现逆变功能，将前面经处理后所传递过来的直流电能转换为交流负载可以使用的交流电能.此环节需保证逆变出来后的交流电能匹配电网.通过此种拓扑结构的改进，单块的控制难度和匹配难度大幅降低，在整体能源利用率上也能取得更好的效果.

多级式光伏逆变器基本原理就是将能量变换由一级变为多级，实现光伏与市电之间的能量解耦，此种模式下可以最大程度降低开关器件的开关频率.但由于功率环节的增多，需要控制的量也更加复杂，这使得算法的实现更难.因此本文最终选择单相两级式光伏并网逆变器结构[4].

1.2.2 逆变器拓扑设计 单相两级式光伏逆变器系统主要分为DC/DC升压部分、DC/AC逆变部分和滤波部分.DC/DC电路拓扑的类型有很多，常用于光伏系统的前级电路主要有升压变换、降压变换、升降压变换和库克变换四类.降压类必须加储能电容才能运行，可靠性会降低，装置体积也更大.本文从实际条件出发，考虑到电路结构、效率、控制等方面，最终选取Boost升压电路来作为光伏逆变器的前级升压部分.

DC/AC逆变部分依据直流电源形式一般分为两种，电压逆变型和电流逆变型.电压逆变型较电流逆变型而言，结构简单，体积小，相应速度快，便于控制和理解，因此大范围应用于功率适中或偏小的逆变器系统中.常用电压型逆变器中的单相逆变电路分为推挽式和桥式，桥式电路在系统中的应用更为常见，桥式电路通常设计又分为全桥和半桥两种模式，全桥电路虽然设计更加复杂但是控制效果更好，因此本节采用单相全桥逆变电路.

图4 市电和光伏联合供电运行供电系统拓扑图Fig.4 Topological diagram of power supply system for operation system of combined power supply of city electricity and photoelectricity

图5 SOGI原理图Fig.5 SOGI schematic diagram

常见滤波电路形式主要有单电感(L)滤波、单电感单电容(LC)滤波和双电感单电容(LLC)滤波.单电感滤波虽然结构简单，易于实现，但其控制效果较差.单电感单电容滤波效果好于单电感滤波结构，但输出并网电流和电感电流在相位上很难保持严格一致.而双电感单电容滤波结构有更好的衰减特性，抑制电流谐波能力更强，且总电感量远小于另外两种滤波结构.因此，本文选择双电感单电容滤波结构作为滤波环节[5].

综合上述，本文提出了一种新的市电和光伏互补运行供电系统，硬件连接结构如图4所示.

该市电和光伏互补运行供电系统硬件拓扑结构不采用接触器等装置，采用LCL滤波结构与负载直接耦合，并在交流母线端与市电并网，共同向交流负载供电.在互补供电模式下，将市电作为光伏的后补电源，优先、充分利用清洁能源光伏，当光伏发电量不足时再由市电补足差额部分，最大程度减少由于火力发电所带来的环境污染，避免了对大电网稳定性的影响.

2 能量控制策略

2.1 广义二阶比例复数积分控制

在光伏并网逆变器的控制方法中，PI控制提出最早，构造简单，易于实现，但其稳态特性较差.随着科研技术的进步，在PI控制的基础之上演变出了比例分数积分控制，其适用范围得到了推广.而将复数域引入到比例积分控制中得到了比例复数积分控制，使得其适用范围和控制性能得到进一步扩大和优化.在三相并网逆变器中，比例复数积分控制可以构造三相正交坐标系，使系统并网控制达到良好效果.但在单相光伏并网逆变器中，无法利用普通比例复数积分控制构建单相正交坐标系.为此，将比例复数积分控制进行引申，提出一种广义二阶积分器的比例复数积分控制法.利用新构造的垂直分量，巧妙实现了从三相到单相的转变，并且参数整定更加简单，实现更加方便[6].

基于广义二阶积分比例复数积分控制的锁相环SOGI具有多重优点，抗系统干扰性强，并且不受电网频率变化的影响.即便在电网发生频率波动甚至严重畸变时，该锁相环仍可以跟踪到基频信号.其原理图如图5所示.

利用广义二阶积分器将电流环中电流相位延迟90°，构造垂直分量j.其中传递函数如下式(1)、(2)所示：

(1)

(2)

式(1)、(2)中，选通信号角频率用ω表示，要想除去ω以外的信号，只需将积分器增益设置为1即可.k为比例系数，对系统响应速度有直接影响.

通过分析可知，在SOGI的加入下，不但可以产生与原电流信号幅值相等，相位相差90°的j量，还可以很好的跟踪基频电压变化，响应速度快，对非基频处谐波具有很大程度的抑制作用，避免扰动频率对控制器的干扰.

2.2 重复控制基本原理

重复控制理论中的中心控制思想就是内模原理.内模原理的控制工作方法就是把系统外部信号的动力学数学模型引入到选定控制器当中，让其实现在工作的时候达到一个较为精准的反馈控制的方式.当需要的控制方式是系统的输出信号来对系统参考的输入信号实现无静差地跟踪的时候，重复控制的内模原理刚好能与需求匹配.所以，重复控制的控制方案也就是将包含在稳定闭环内的周期性误差全部清零[7-8]，图6所示为常用重复控制系统框图.

r系统给定的参考正弦信号；e误差信号；d扰动信号；P(z) SPWM逆变器；y实际输出电压；Q(z)带限滤波器；S(z)重复控制环路的补偿器；z-N周期延时环节；N采样次数；Kr可调增益.图6 常用重复控制系统框图Fig.6 Block diagram of common repetitive control system

图7 电压前馈并网控制系统框图Fig.7 Block diagram of voltage feed forward control system

由于重复控制是通过上一个周期内的情况来预测下一个周期内同一时刻的情况，于是给定信号和反馈信号结合后就可以得到相应的校正信号，然后进行叠加.用这种叠加的方式来消除系统后面可能出现的重复性畸变.

扰动输入d(k)跟踪误差e(k)传递函数为：

[1-Q(z-1)z-N]{1-[Q(z-1)-KrzkS(z-1)P(z-1)]z-N}.

(3)

其中，E(z-1)和D(z-1)分别是e(k)和d(k)的z变换式.

相应的频率函数为：

F(jω)=F(z-1),

(4)

z=ejωT.

(5)

式(5)中：T为采样周期.

若假定Q(z-1) =1,且P(z-1)是稳定的,则:

(6)

(7)

由式(7)容易看出在使用重复控制时，如果周期扰动的频率低于乃氏频率1/(2T)的话，其稳态误差就一定会为零.

本文的控制对象是单相全桥逆变器，其最终的系统动态性能是由输出LCL来决定的.考虑到实际应用中的负载效应和优化补偿器的补偿效果，需在空载条件下来进行设计.

2.3 电网电压前馈控制原理

太阳能发电过程属于有源逆变系统，在并网过程中极易受到电网端电压的影响.而大电网在运行过程中是很难保证绝对平稳的，尤其是电网电压的波动会带来并网电流的波动，对整个市电和光伏互补运行系统的控制极为不利.如果电网电压的波动范围超过了系统自调节的能力，市电和光伏互补运行系统的稳定性将会被破坏，甚至出现并网失败.因此，为了消除电网电压的变化对市电和光伏互补运行系统的影响，必须采取有效措施.

本文将电网电压前馈控制引用到市电和光伏互补运行系统的控制中来.增加了电网电压前馈控制的结构框图如图7所示.

由图7可知，系统在加入电网电压前馈调节环节之后，并网电流变化为：

(8)

从式(8)不难看出，要想电网电波动对并网电流影响为零，只需要满足G4(s)=1/G2(s)即可，这样便消除电网电压突变对市电和光伏互补运行系统的影响.

2.4 复合控制

由上述分析可知，常用光伏逆变器的控制策略各有优势和劣势，在其单独使用的时候都或多或少存在一些不足.比例复数积分控制与PI控制相比可以更好的解决逆变器的稳态误差问题，但传统认为比例复数积分控制适用于三相逆变从而达到了其在并网过程中的应用，但依旧存在着稳态误差.重复控制虽然能够完全消除稳态误差，但其控制信号的输入有一个周期的延迟，无法实现零滞后的问题.而电网电压前馈控制的加入能使系统在免受到电网电压波动影响的同时，还可以适当减小控制系统的增益，有利于系统稳定性的进一步提升[9-10].

于是，在抑制和消除在并网过程中周期性扰动带来的误差的同时，又提高系统动态性能和稳态性能.本文提出将广义二阶下的PCI控制、重复控制以及电网电压前馈控制相结合所组成的复合控制策略应用于市政电和光伏联合供电运行的系统，以使系统能量控制达到更好效果.

3 仿真与试验样机结果

3.1 系统仿真结果

3.1.1 系统仿真模型 为了进一步验证本文所提出的市电和光伏互补运行系统的正确性、系统实现的可能性，在MATLAB仿真系统中搭建了相应模型.根据硬件拓扑结构所搭建的仿真模型主电路仿真模型如图8所示.

图8 互补系统仿真模型Fig.8 Simulation model of complementary system

图9 试验输出波形ⅠFig.9 Experimental output waveform

3.1.2 广义二阶比例复数积分控制下并网结果 在所搭建的硬件仿真模型上，选择广义二阶比例复数积分控制策略，在Simulink的连续域中选择相应的模块，将负载上的实际电压与参考电压进行实时对比.根据相应控制算法所搭建的仿真模型，得到的试验输出波形如图9所示.

从图9不难看出，采用广义比例复数积分控制策略，第一个周期内就可以很好跟踪到参考电压，具有良好的动态性能.但从波形效果来看，谐波畸变率较高，稳态误差较大.

3.1.3 重复控制下并网结果 在所搭建的硬件仿真模型上，选择重复控制策略，在Simulink的离散域中选择相应的模块，将负载上的实际电压与参考电压进行实时对比.得到的逆变器试验输出波形如图10所示.

从图10不难看出，采用重复控制，第一个周期内出现了明显的滞后现象，但在第二周开始就可以很好地实现电压的跟踪，与重复控制滞后一个周期的特性相一致.但从波形效果来看，谐波畸变率很低，具有较好的稳态性能.

3.1.4 复合控制 在所搭建的硬件仿真模型上，采用广义二阶比例复数积分控制、重复控制和电网电压前馈控制相结合的复合控制策略，在Simulink的离散域中选择相应的模块，将负载上的实际电压与参考电压进行实时对比.在此复合控制策略下得到的试验输出波形如图11所示.

从图11容易看出，采用复合控制策略，第一个周期内就可以很好跟踪到参考电压，没有滞后现象，具有良好的动态性能.同时谐波畸变率也控制得很低，系统此时亦具有较好的稳态性能.由此可见，复合控制策略结合了两种单一控制策略的优点，使得系统输出性能得到了较大提升[11-13].

图10 试验输出波形Ⅱ 图11 试验输出波形ⅢFig.10 Experimental output waveform Ⅱ Fig.11 Experimental output waveform Ⅲ

图12 电网电压、电网电流和并网电流波形Ⅰ

3.2 试验样机结果

为了进一步验证本文所提出的市电和光伏互补运行系统的正确性、系统实现的可能性，搭建了一套基TMS320F28335 DSP芯片的试验样机，其容量3 000 VA.电网电压=220 V，频率=50 Hz.

3.2.1 低功率负载运行时 在市电和光伏互补运行系统试验样机工作中，将负载分为低功率负载、中功率负载和高功率负载3个等级.平均每个功率等级相差1.3 kW.当负载端的实际消耗为低功率负载1.3 kW时，低于市电和光伏互补运行系统的设计功率3 kW.在此种工作模式下，应该优先使用清洁能源太阳能供电，而市政电网此时没有能量输出，即光伏输出1.3 kW，市电输出0 kW.实际输出的市电电压、市电输出电流和光伏输出电流如图12所示.

3.2.2 中功率负载运行时 负载端功率的变化会导致市电和光伏互补运行系统整个能量输出的变化.当负载端的实际消耗为中功率负载2.6 kW时，低于市电和光伏互补运行系统的设计功率3 kW.在此种工作模式下，应该优先使用清洁能源太阳能供电，而市政电网此时没有能量输出，即光伏输出2.6 kW，市电输出0 kW.实际输出的市电电压、市电输出电流和光伏输出电流如图13所示.

3.2.3 高功率负载运行时 负载端功率的变化会导致市电和光伏互补运行系统整个能量输出的变化.当负载端的实际消耗为高功率负载3.9 kW时，高于市电和光伏互补运行系统的设计功率3 kW.在此种工作模式下，应该优先使用清洁能源太阳能供电，不足部分再由市政电网输出，即光伏输出3 kW，市电输出0.9 kW.实际输出的市电电压、市电输出电流和光伏输出电流如图14所示.

对比分析图12、图13和图14可知，在采用本文所提复合控制策略的作用下，该系统能够实现“光能优先、市电候补”的设计目的.从市电输出电流ig的变化可以看出，在负载消耗功率持续增加的过程中，只有当系统太阳能发电功率不满足负载消耗功率时，市电端才会有功率的输出，这样既保证了清洁能源的优先使用，又确保了负载用电的稳定、可靠.

4 结论

针对传统比例复数积分控制只能应用于三相正交坐标系而无法应用于单相坐标系的问题，提出了将广义二阶比例复数积分控制引入到单相并网逆变器的控制中.针对单一控制策略无法使市电和光伏互补运行系统运行达到最优的问题，提出将广义二阶下的比例复数积分控制、重复控制和电网电压前馈控制相结合所组成的复合控制策略应用于市电和光伏互补运行系统，实现了光伏优先、市电候补的供电模式，且不会对市政电网稳定性产生影响[14-15].最后仿真和试验结果都表明，所提出复合控制策略具有良好控制效果.