分布式风光互补并网逆变器的控制系统设计与切换策略研究

李丽晶，王小建

（石家庄信息工程职业学院，河北 石家庄 052161）

0 引 言

我国西北地区风能和太阳能具有季节互补性。根据不同时间段可再生清洁能源的变化情况，设置风光互补的能源发电控制系统，成为西北地区发电、电能控制与利用的重要手段。分布式风光互补并网逆变器的发电控制系统，在不同时段采用风力发电机转速-电流双闭环和Boost基波电压-并网电流双闭环，结合并网逆变器、切换控制器、开关组等组成模块，控制不同系统的外环风机转速、内环电流以及电压反馈值等参数，从而合理完成系统风电与光电的储能和用电匹配工作。

1 分布式风光互补并网自动发电系统的设计

1.1 光伏电池板的发电模型

分布式光伏发电又称分散式发电或供能，是在距离用电现场和普通用户较近的空间位置配置光伏发电的供电系统，包括太阳能电池阵列、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）转换器、并网逆变器、变压器以及交流配电柜等基本设备，同时配置温度仪、辐射仪、监控采集器等系统监控装置，用于太阳辐射下光能和电能的转换与传输控制。光伏电池板的发电模型结构，如图1所示[1]。

图1 光伏电池板的发电模型结构

在太阳光充足的时间段，太阳能电池阵列组件会吸收光能，并将光能转换为电能输出，经直流汇流箱，集中传送至DC/DC转换器。DC/DC转换器通过多种信号变换控制直流电传输与输出，随后由并网逆变器将直流电逆变为交流电，为建筑用电现场和普通用户提供电能，多余的电能则联入电网进行调节[2]。

为保证太阳能光伏电池阵列系统的发电效率，利用基于电导增量的最大功率点追踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制方法，将光伏电池阵列输出功率与输出电压比值|dP/dU|作为步长的变化系数，则k时刻的采样值为k|dP/dU|。当|dP/dU|=0时，表明在k时刻光伏电池的工作点已达到最大功率点，即Uref(k+1)=Uref(k)。此时，DC/DC变换器作为直流电转换电路，能够监测太阳能发电的最大功率输出点，然后由可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和锁相环（Phase Locked Loop，PLL）软件执行程序发送脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）波、正弦脉宽调制（Sine Pulse Width Modulation，SPWM）波脉冲信号，控制可驱动逆变器的开关通断，并调整DC/DC变换器电路内的开关电源占空比。

1.2 风力发电机的发电模型

风力发电机组的直流电压和电流输出端分别连接DC/DC变换器和电压转换单元的输入端，然后与并网逆变器、箱式变压器、储能单元等模块结构形成连接，从而完成某场景的用户用电负载的自动调节[3]。主控单元中央处理器（Central Processing Unit，CPU）不仅通过PWM波控制模块与并网逆变器、箱式变压器连接，而且接入霍尔传感器，用于采集风力发电机组的温度数据和转速数据。

根据空气动力学原理，假设风力发电机组转速的机械功率为Pm，机械转矩为Tm，模型的计算公式为

式中：v为自然界空气风速；ω为风力机转速；ρ为空气密度；R为风轮半径；β为桨距角；λ为风机叶片尖端的叶尖速比；Cp为风能利用系数。在桨距角β固定的情况下，随着风力机转速β和叶尖速比λ等的参数变化，风能利用系数Cp会随之发生变化。当风轮叶片尖端线速度和风速比值为λopt时，表明风能利用系数Cp达到最优，即Cp=Cp-max，得到风力发电机组转速的最大功率为

2 分布式风光互补并网逆变器的控制系统设计

2.1 分布式风光互补并网系统的双闭环PI控制结构

风光互补发电系统是在电流内环和电压外环控制器的双闭环比例积分（Proportional Integral，PI）控制结构基础上，增加风力发电机的并网逆变器装置，用于真实反映风力发电中电压和电流控制信号的变化[4]。分布式风光互补并网系统的双闭环PI控制结构，如图2所示。

图2 分布式风光互补并网系统的双闭环PI控制结构

内环并网电流通过派克坐标变换方式，将转子运行的a、b、c三相电流值投影并输出到风力发电机转子的d轴和q轴，并跟踪Id和Iq的参考值。该过程中，d轴和q轴电流受到并网逆变器交流输出d轴分量电压、q轴分量电压、电网电压Es、电流交叉耦合项ωLId以及ωLIq的影响。

为消除电网电压扰动和电流耦合扰动情况，借助PI电流调节器，采用前馈解耦控制方式，引入电流状态反馈和电网电压前馈分别跟踪Id、Iq的参考值和Ud、Uq的参考值，产生与控制目标相对应的d轴和q轴电流实现电流解耦控制，具体的计算公式为

式中：Ud*、分别为并网逆变器交流输出d轴、q轴的分量电压的参考值；Id*、分别为并网逆变器网侧有功电流和无功电流的参考值；KI、KP分别为电压过流和过载。

风机发电系统的双闭环PI控制是利用霍尔传感器、功率信号反馈法追踪风机发电机外环的转速值，反馈得到风机的转速给定值和实时转速值。内环则将风机运行的a、b、c三相电流值投影输出，得到d轴和q轴的电压反馈值。在完成内环d轴和q轴电流、外环d轴和q轴电压控制计算后，经PI控制器进行电流、电压的矢量坐标变换，得到并流逆变器SPWM驱动控制信号。风机系统双闭环PI控制策略的执行流程如图3所示。

图3 风机发电系统双闭环PI控制的执行流程

2.2 风光互补并网逆变器输出电压的控制方式

为获取需要的SPWM波脉冲信号，主要选取并网逆变器的电压源输入和电流源输出结构，采用调制法调制输出的电压和电流信号波形[5]。同时，由SPWM波脉冲信号的频率决定开关组件的输出基波电压脉冲宽度、脉冲间隔、开关开启/关闭的动态频率以及输出电压频率等参数，由输入电压的正弦波信号wa决定并网逆变器输出电压的相位和幅值。因此，在并网逆变器输出电压的相位和幅值控制中，设置输入电压的正弦波幅值和载波幅值分别为WAD和WED，得到正弦波波形调整的深度N，即

当正弦波波形调整深度N≤1的情况下，开关组件输出基波电压W的幅值WD、逆变的电压幅值Wout的关系为

在完成并网逆变器输出的电压幅值和电压频率调整后，通过PLL锁相环路锁定并网电压、电流的相位角、幅值以及频率，确定逆变器输出电流反馈相位和电网电压相位角，从而生成与电网电压相位同步的参考电流相位信号μ，用于风机发电系统参考电流指令的调整，使该指令达到逆变器触发的控制信号条件。

3 分布式风光互补并网自动发电系统的切换控制策略

某地区的太阳光照和风速会受自然天气、时间等外部条件的影响，因此设定风力发电机转速-电流双闭环、Boost基波电压-并网电流双闭环控制结构的切换阈值以及2种发电模式切换的最小触动值，以维持整个系统运转的稳定性[6]。设置储能蓄电池的荷电状态（State of Charge，SoC）在10%～90%，分布式风光互补自动发电系统的工作模式和切换控制模式如表1所示。

表1 分布式风光互补自动发电系统的工作模式和切换控制模式

在不同自然天气环境和时间等条件下，设置t时刻分布式风光互补系统受到的光照强度、风力速度分别为St、vt，那么邻近t时刻的t+i时刻，系统所受到的光照强度、风力速度分别为St+i、vt+i，光照与风速的最小临界值分别为St-min、vt-min。根据表1中分布式风光互补并网自动发电系统的4种工作模式，探讨在实时工作过程中采取的切换策略。

（1）当St＜St-min且vt＜vt-min时，表示环境中无风无光，这时需要启动蓄电池储能设备，切换工作模式为01或10，给风电机DC/DC变换电路中的并网电流或转速电流的控制提供支持，使其不出现欠流情况，同时维持并网逆变器控制信号的正常运作，直至蓄电池荷电状态SoC＜10%时停止放电。

（2）当St＞St-min且vt＜vt-min时，表示外部环境中无风有光，此时采取Boost基波电压-并网电流双闭环的控制方式，由太阳能辐射光伏电池板为蓄电池充电至荷电状态SoC＞90%时停止。同时，光电系统按照平均功率向高压电网输送电量，若达不到平均功率，则由蓄电池放电补充。

（3）当St＜St-min且vt＞vt-min时，表示外部环境中有风无光，此时采取风力发电机转速外环-电流内环的双闭环控制方式，由风电机为蓄电池充电至荷电状态SoC＞90%时停止。同时，风电系统按照平均功率向高压电网输送电量，若达不到平均功率，则由蓄电池放电补充。

（4）当St＜St-min且vt＞vt-min时，表示外部环境中有风有光，此时采取01工作模式或10工作模式，并根据光能、风能发生的现状切换2种工作模式，为蓄电池充电至荷电状态SoC＞90%时停止。同时，分布式风光互补并网发电系统按照平均功率向高压电网输送电量，若有余量，可灵活控制MPPT的连通或断开。

4 结 论

文章研究了分布式风光互补并网逆变器的控制系统设计与切换策略。由于风光互补型发电储能组件的发电量和输出功率与当地区域用电现场的用电量之间存在供电和输电的关联关系，利用双闭环PI控制电路和PLL锁相环路，能够构建分布式风光互补并网逆变器的控制系统，同时利用风电机转速-电流双闭环和Boost基波电压-并网电流的双闭环结构，可以控制系统外环电压、内环电流、电压反馈值以及并网逆变器输出电压等参数，有利于发电系统的稳定运行。根据不同自然天气环境和时间条件下的光照风速，调整风光互补自动发电系统的工作模式、切换控制模式，能够合理控制双闭环PI电路，达成高效的风光发电与输能目标。