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三相光伏并网逆变器控制策略的研究.pdf下载次数(0)
本文对光伏并网逆变器几种常用的控制策略进行了论述，给出了矢量控制框图及其原理和特点进行了分析，指出了其中存在的一些问题和缺点。虽然并网逆变器的控制策略已有很大的发展，但还有一些问题没有得到满意的解决。未来的光伏并网逆变器的控制策略不能单纯依赖一种控制策略，应综合考虑现代智能控制、传统控制策略和多种控制策略相结合，形成可靠、简单、坚强、高效的控制方式。
0 引 言
太阳能光伏发电的广泛应用，使得并网逆变器的研究成为热点。在光伏并网发电系统中，光伏并网逆变器是光伏发电系统并网控制能量转换与控制的核心。良好的并网逆变器控制策略，是实现大容量光伏电站并网的保证。并网逆变器作为可再生能源发电系统与电网的接人口，在并网发电中起到关键作用。对此，研究用于并网逆变器的控制方法具有重大意义和广阔前景。
光伏并网逆变器有多种控制方法，无论采用何种控制方法，其控制目的都是一样的，即要保证控制的稳定性、快速性和准确性。本文对并网逆变器的内环控制策略进行了详细阐述。以三相并网逆变器为控制对象，简述各种并网控制策略原理，介绍几种可取的控制策略及各自特点，着重讨论光伏并网逆变器双环控制策略内环中基于电流闭环和功率闭环的控制策略，展望未来的发展趋势和走向。
l 三相光伏并网逆变器拓扑结构和原理
光伏并网逆变器本质是有源逆变，其作用是将光伏电站输出的直流电能通过调压、逆变后，将符合电网要求的交流电馈送给电网。光伏并网逆变器分为隔离型、非隔离型逆变器。隔离型包含工频、高频；非隔离型包含单级、多级几种类型。双级型光伏并网发电系统如图1所示。
一般，前级DC／DC变换器和后级DC／AC变换器之间均设置一个足够容量的直流滤波电容。直流滤波电容在缓冲前、后级能量变化的同时也起到了前、后级控制上的解耦作用。对并网逆变器有2个基本控制要求，即保持后级之间的直流侧电压稳定；实现并网电流控制、网侧单位功率因数控制或根据指令进行电网的无功功率调节。可见，网侧逆变器是光伏并网发电系统的核心。
4种典型的矢量关系式及电网电压、虚拟磁链定向矢量图如图2所示。图2中，E表示电网电压矢量，UL表示滤波电感L上的电压矢量，Ui表示逆变器桥臂输出即交流侧的电压矢量，I表示输出电流矢量。w表示旋转坐标系中的角速度。忽略滤波电感l和等效电阻r，则有
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并网逆变器并网控制的基本原理是根据并网控制给定的有功、无功功率指令，即电网电压矢量，计算出所需的输出电流矢量I*，即
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根据式(1)、式(2)，得出并网逆变器交流侧输出的电压矢量指令Ui*，即可通过SPWM或SVPWM得到并网逆变器相应的开关管驱动信号，以此进行逆变器并网控制。
2 光伏并网逆变器的控制方式
并网逆变器按控制方式，可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制4种。并网时，逆变器的输入常采用电压源控制方式。若以电流源为输入逆变器，直流侧需串联一大电感，以提供稳定的直流输入电流。由于电感会导致系统动态响应速度慢，因此，大部分并网逆变器均采用以电压源输人为主的方式。
对逆变器的控制通常分为电压控制和电流控制。采用电压控制时，类似于2个电压源并联。如要保证系统稳定运行，就需采用锁相控制技术，以实现逆变器输出与市电电网电压同步。在稳定运行的基础上，也可通过调整逆变器输出电压的大小和相移，以此来控制系统的有功和无功功率输出。由于锁相回路的响应较慢，逆变器输出电压值很难精确控制结果，使得输出电压控制复杂，并伴有环流出现等缺陷。因此，如果逆变器的输出采用电流控制，则仅需控制逆变器的输出电流跟踪电网电压，即可达到并联运行的目的。由于该控制方法相对简单，因此使用比较广泛。鉴于以上原因，光伏并网逆变器一般都采用电压源输入、电流源输出的控制方式 。
电流控制又可分为间接电流控制和直接电流控制2种方式。
3 并网逆变器的控制策略
3.1逆变器的控制策略
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3.2基于电流闭环的矢量控制策略
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3.2.1电网VOC
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由于是基于电网电压定向，则ed=E、eq=0，有
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由此表明，若电网电压不变，通过id、iq的控制可以分别实现对并网逆变器输出有功、无功功率的控制；若iq=0，则逆变器为全单位功率因数运行。
VOC矢量控制方法物理意义清晰，易于实现，具有较好的动态响应特性和较强的鲁棒性，且应用较为广泛。但电网电压含有谐波等干扰时，会直接影响电网电压基波矢量相角的检测，从而影响VOC方案矢量定向的准确性和控制性能，甚至使控制系统振荡。基于电网VOC控制图如图3所示。
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3.2.2 VF0C
虚拟磁链定向基本出发点是将并网逆变器的交流侧(包括滤波环节和电网)等效成一个虚拟的交流电动机，三相电网电压矢量E经过积分所得矢量&=∫Edt，便可认为是该虚拟交流电动机的气隙磁链&。显然，由于积分的低通滤波特性，因此可有效克服电网电压谐波对磁链&的影响，从而确保矢量定向的准确性。基于VFOC的矢量控制框图如图4所示。
令虚拟磁链&与同步旋转坐标系d轴重合，虚拟磁链&比电网电压矢量E滞后90。，当全单位功率因数运行时需满足：ed=0，eq=|E|，并网逆变器瞬时输出功率为
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可见，通过式(6)，可计算出0值。VFOC需克服积分漂移，否则将同样影响矢量定向的准确性。一般，可采用低通滤波器的取代积分器。
由于消除了积分运算，因而初始时刻引起的直流偏量的积分效应被完全抑制，即可以抑制电网电压对矢量定向的准确性和控制性能的影响，克服电网电压谐波干扰，是VOC的一种改进方案。
3．2．3 无差拍控制
无差拍控制的本质是基于预测脉宽调制的控制方法 。其基本原理是在每一个开关周期的开始时刻采样并网逆变器的输出电流i，并且预测出下一周期开始时刻逆变器并网侧电流的给定值i*；由差值i—i*计算出开关器件的开关时间，使i在下一周期开始时刻等于i*。这种方法虽计算量较大，但其开关频率恒定、动态响应快，非常适用于光伏并网系统的数字控制。
无差拍矢量控制图，如图5所示。当用SVPWM调制时，对于采样点k，可认为逆变器输出电流在零矢量作用的(k一3)、(k一1)、(k+1)处是线性的，则在(后+1)处的电流可通过在(k一3)、(k一1)处采样值由式(4)进行电流预测得到式(5)电网电压预测值，为
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实现无差拍控制时，有
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无差拍控制参考电压预测算法模型为
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无差拍控制虽具有跟踪性能良好、实时控制、电流响应快、开关频率固定等优点，但控制精度依赖系统参数，易使系统进入不稳定运行区域，造成系统振荡。无差拍电流控制方法可在各种环境下稳定工作，提高系统输出电能的质量。
3．2．4 重复控制
重复控制是基于内膜原理的控制理论 。其基本思想是假设在前一基波周期中出现的波形畸变将会在下一个基波周期的同一时间重复出现，控制器根据给定信号与反馈信号的误差来确定所需的校正信号。该控制信号在下一周期被加至原控制信号上，以消除基波中出现的重复畸变。逆变器由于自身的死区效应及所带的非线性负载会产生畸变，应用重复控制可降低并网电流畸变率，提高系统鲁棒性 j。重复控制矢量控制图，如图6所示。
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重复控制的特点是可以消除周期性干扰产生的稳态误差，对信号进行无静差跟踪。由于重复控制需要一个周期的延时，通常很难满足系统快速性的要求，动态响应差。因此，重复控制经常与其他控制方法相结合，形成复合控制方法，以改善系统输出。
3．2．5 智能控制、模糊和神经网络控制
当系统负载发生变化或电网参数波动较大时，传统PI控制器的PI参数固定无法及时修正PI参数，不能达到满意的效果。智能控制能对PI参数进行在线调整，从而使被控对象具有良好的动、静态性能。
模糊自整定PI控制器的核心问题是根据工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立针对K K，两个参数分别整定的合适模糊规则表_1 。首先，通过从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面找出PI参数，分析出PI参数对系统输出特性的影响，建立PI参数与误差e和误差变化率ec之间的模糊关系；在系统中不断检测e和ec，再根据模糊控制规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表，对PID参数进行在线调整，以满足不同8和ec时对PID参数的自整定要求。
神经网络结构如图7所示。输入层为3个节点，隐含层为4个节点，输出层为2个节点，即PI控制器的比例系数K。和积分系数K 。神经网络根据系统的运行状态，通过自学习和权值的调整，在线整定PI控制器的参数，以期达到性能指标的最优 。
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智能控制不依赖于系统的数学模型，并且具有较好的控制精度，但存在算法结构复杂、计算时间长、硬件难以实现、应用性不广等缺点。
3．3 基于功率闭环的矢量控制策略
采用功率闭环，也称直接功率控制(DirectPower Control，DPC)的基本思路，首先对并网逆变器输出的瞬时有功、无功功率进行检测运算，再将检测值与给定的瞬时功率的偏差传递给相应的滞环比较器，根据滞环比较器的输出及电网电压矢量位置的判断运算，确定并网逆变器功率管的开关信号。
相比电流闭环的控制策略，针对并网逆变器的功率控制，DPC具有鲁棒性好、控制结构简单等优点。
功率滞环比较器是DPC控制的关键环节，包含有功、无功滞环比较器。滞环比较器数学模型为
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输入瞬时有功、无功功率参考值与其估算值的差值分别为△p、△q：
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3．3．1 V．DPC
V．DPC采用无电网电压传感器的控制策略，如图8所示。
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将并网逆变器瞬时功率表达式中的电网电压用所检测的逆变器输出电流和直流侧电压进行描述，进而通过逆变器回路的电压方程运算获得电网电压的估算值。采用这种方法，先运算出瞬时功率、无功功率的估算值，再得出电网电压的估算值，而瞬时有功、无功功率的估算值可作为直接功率控制器的反馈信号。ia、ib、ic为三相电流；sa、sb、sc为并网逆变器开关调制时a、b、c三相的开关函数；L的滤波电感；Udc为直流母线例电压；ia、ip分别为输出电流，在静止坐标系a、p轴的分量；瞬时有功、无功功率估算P、q数学模型为
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V．DPC具有高功率因数、低谐波畸变率、算法及结构简单等特点，但对电网电压存在谐波、畸变和不平衡等情况时，会影响电压定向的准确性，致使DPC控制性能下降，甚至导致系统震荡。电网电压矢量位置估算值数学模型为
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3．3．2 VF—DPC
VF—DPC图如图9所示。将并网逆变器的交流侧等效成一个虚拟的交流电动机，VF—DPC无需将功率变量换算成响应的电流变量来进行控制，而是将并网逆变器输出的瞬时有功和无功功率作为被控量进行功率的直接闭环控制。两相静止坐标系下的虚拟磁链&a、&p，瞬时有功、无功功率估算p、q 模型数学模型为
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VF．DPC对电网谐波不敏感，可以克服谐波电压造成的过零点偏移问题，保证当前定向角度的准确性，高动态性能解耦的有功、无功控制。但开关频率不固定，增加设计输入滤波器的难度；滞环控制器数字控制系统需要很高的采样频率。将DPC—SVM的方法引入VF—DPC中，采用PI调节器代替滞环控制器和SVPWM代替开关矢量表调制方式，实现固定开关频率的控制，改善VF—DPC的不足之处。
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除了上述几种控制策略，还有PR控制、滑模变控制、z源单周控制 。PR控制策略采用PR调节器代替PI调节器，调节器在静止坐标系中实现交流电流的无静差控制，还可有效抑制电网基波电压波动，是PI调节器所不具有的。滑模变控制系统对参数变化和负载扰动的不敏感性，理想滑模切换面难以选取、控制效果受采样频率的影响，且存在高频抖动等，限制了其应用性。对z源单周控制等多种组合的控制策略，在未来的控制策略中可能会有所应用。
