基于复合控制的清洁能源光伏发电并网分相电流控制研究

摘要：清洁能源对于可持续发展战略具有重要意义。针对清洁能源光伏发电并网分相电流控制存在的问题，研究提出了一种基于电力电子变压器的分相电流复合控制策略。采用分相电流调控方式，以变换器输出的负载电流，向单相牵引负载供电，减小电网中各节点间的不对称。仿真实验结果表明：通过研究提出的基于电力电子变压器的复合控制策略，在电网侧电压大小不一致的情况下，通过调节逆变器的输出，仍能获得期望的交流电压。研究的成果在清洁能源光伏发电领域具有广泛的应用前景和重要的实际意义。

关键词：分相电流控制 清洁能源 光伏发电并网 复合控制

中图分类号：TM74 文献标识码：A

Research on the Grid-Connected Split-Phase Current Control of the Photovoltaic Power Generation of Clean Energy Based on Hybrid Control

DONG Yujie

Yunnan College of Business Management，Kunming，Yunnan Province， 650106 China

Abstract： Clean energy is of great significance for sustainable development strategies. For the problem of the grid-connected split-phase current control of the photovoltaic power generation of clean energy， this study proposes a hybrid control strategy of split-phase currents based on power electronic transformers. This paper adopts the split-phase current control method to supply power to the single-phase traction load by the load current output by the converter， so as to reduce the asymmetry among nodes in the grid. Simulation results show that the proposed composite control strategy based on power electronic transformers can still obtain the desired AC voltage by adjusting the output of inverters under the condition of inconsistent voltage on the grid side. The results of this study have broad application prospects and important practical significance in the field of the photovoltaic power generation of clean energy.

Key Words： Split-phase current control; Clean energy; Grid-connected photovoltaic power generation; Compound control

在全球气候变暖、能源资源短缺的严峻形势下，开发与利用清洁能源已成为现如今普遍关注的问题。在光伏发电系统中，并网技术是实现电能输送和利用的关键环节，而分相电流控制则是并网技术中的重要组成部分[1]。在并网技术中，电流控制是一个非常重要的步骤，它对电网的稳定运行和供电有着重要的影响[2]。但光伏电源具有间歇性、随机性等特性，给并网电流控制带来了新的挑战[3]。针对上述问题，研究提出一种基于电力电子变压器（Power Electronic Transformer， PET）的复合控制策略，以提高清洁能源光伏发电并网电流控制的有效性。研究提出的复合控制策略在整个系统中具有简化控制的作用，采用智能预测控制与前馈解耦控制相结合的方法，使交叉耦合电路达到完全解耦。

1光伏发电并网分相电流控制系统结构

光伏发电并网分相电流控制系统主要包括光伏侧Yy降压变压器、直流/直流变换器、三相-两相牵引变压器、三相交流/直流变换器、两相-三相牵引变压器等。通过两相-三相牵引变压器，牵引网两侧的馈线被变换成三相10 kV的低电压母线，为光伏电池的并联提供共同的母线[4]。光伏发电并网分相电流控制系统结构具体如图1所示。

2基于电力电子变压器变换器的复合控制策略

基于电力电子变压器变换器的复合控制策略采用智能预测控制与前馈解耦控制相结合的方法。前馈解耦控制实现了系统中的交叉耦合电势完全解耦，从而减少了计算量[5]。该组合控制器采用了一种基于PET变换器的离散模型，对电路参数进行了预测，从而保证了输入电流的幅值和前馈的估算结果相近。在每一次取样期间，选取适当的切换状态，以驱动电源元件。在光伏发电并网分相电流控制系统中，建立数学模型，具体如式（1）所示。

式（1）中：表示三相电流；表示输入侧电感；表示光伏发电并网分相电流控制系统的三相电压；表示输入电压；表示寄生电阻。为了实现直流母线电压的稳定以及单位功率因数的正常运行，可以对光伏发电并网侧电流与直流侧电压进行精确的管理。电力电子变压器变换器控制阶段，由于电流向量之间存在着相互影响，无法单独进行控制。因此引入前馈解耦控制策略，前馈解耦控制如式（2）所示。

式（2）中：表示有功电流给定值；表示电流无功分量给定值。引入前馈解耦控制策略之后，电流解耦。针对现有的数据和之后应用的控制方式及数据，研究提出了一种基于预测模型的方法。具体如图2所示。

预测模型理论具体如式（3）所示。

式（3）中：为控制系统输出；为控制系统输入；为系统的状态。预测输出以测得的为出发点，以系统的输出与预期的输出相吻合，也就是预期的输入。在此基础上，还应满足控制和输出的约束条件。总之，预计的系统输出越接近于所需的系统输出越好，所以最好能找出图2中填充区域最小的最优控制输入。

3基于复合控制策略的性能评估

为了验证光伏发电并网分相电流系统的有效性，研究采用Matrix Laboratory对分相电流系统进行建模，并对其展开一系列仿真实验。研究通过模拟试验，分析了在不同电压幅度下，系统的输入、输出电压、负荷功率等参数对系统性能的影响。满载运行时网侧电压和负载侧电压的仿真结果如图3所示。

图3中，通过研究提出的复合控制策略，在电网侧电压大小不一致的情况下，通过调节逆变器的输出，仍能获得期望的交流电压。负载功率从5 kW变化至2 kW时，负载侧A相实际电流跟踪的仿真结果如图4所示。

图4中，随着负荷功率的下降，基准负荷电流幅值以及实际负荷电流幅值都将下降。然而即使在这种情况下，负载电流仍将与期望的交流负载侧电压220V/50Hz保持相同的相位。说明通过研究所提的复合控制策略能够调整负载电流，确保负载电流与期望电压相位一致。

4结语

针对现有的PET控制策略太过复杂，研究提出了基于复合控制的清洁能源光伏发电并网分相电流控制技术。研究提出了一种前馈解耦控制和智能预测控制的复合控制策略，并进行了仿真研究。研究结果表明：随着负荷功率的下降，基准负荷电流幅值以及实际负荷电流幅值都将下降。然而即使在这种情况下，负载电流仍将与期望的交流负载侧电压220V/50Hz兹保持相同的相位。该复合控制策略对光伏发电系统的并网电流控制具有较好的有效性。未来研究需要考虑光伏电池板输出特性的非线性问题，以及光照、温度等因素的影响。

参考文献

[1] 程鹏，刘文泉，陈冲，等.面向电气化铁路牵引供电的光伏发电分相电流控制策略[J].电力系统自动化，2022，46（19）：145-153.

[2] 王超，鲍岧，谢康，等.用于蓄电池均衡电路的DC/DC串并联控制策略[J].电力电子技术，2023，57（9）：50-53.

[3] 沙浩源，郭涛，赵学华，等.基于空间矢量复合判断指标的变电站动力电缆漏电检测算法[J].电力系统保护与控制， 2023，51（11）：168-176.

[4] 王鹤，许家豪，边竞，等.具备直流潮流控制与故障限流功能的电感耦合型复合装置[J].高电压技术，2023，49（5）：1985-1996.

[5] 董纪清，潘佳清，毛行奎.自适应正负序复合控制的VSG低电压穿越策略[J].电网技术，2023，47（2）：815-822.