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摘要：传统独立光伏发电采用电压型控制，并网光伏发电采用电流型控制，无法实现运行模式的无缝切换。为此，提出光伏发电系统在2种运行模式下都采用电压型控制，避免控制策略切换所引起的冲击。针对光伏发电系统的特点，分别设计了光伏逆变器在孤岛运行、并网运行及模式切换时的下垂控制策略。将下垂控制进行改进，通过动态平移下垂曲线，使光伏逆变器并网运行时能够始终输出最大有功功率，抑制不同情况下的功率偏移，同时维持直流母线电压稳定，运行时能够跟踪电网运行状态，减小并网瞬间的冲击。仿真结果和实验结果均验证了所提控制策略的有效性，光伏逆变器在孤岛模式及并网模式都能够满足稳态运行要求，模式切换暂态过程平滑无冲击。
关键词：光伏逆变器；电压型控制；下垂控制；无缝切换
一、时代背景
如何保证逆变器孤岛运行模式与并网运行模式的无缝切换是提高负载供电可靠性、充分利用可再生能源的关键技术，令分布式电源逆变器在并网运行时采用PQ控制，孤岛运行时采用V／f控制，简单易行，符合稳态运行要求；但这种电压型控制与电流型控制切换的方式较为困难，要求时机准确，动作迅速，有发生失败的可能性，且容易产生暂态冲击。提出基于开关电容技术的交流PWM开关来代替并网点处的传统开关，通过动态改变开关处的等效电阻来抑制切换冲击电流；但该方法增加了额外的电力电子装置和控制系统，使成本提高，体积增大，在并网和孤岛运行时均采用下垂控制，避免了控制策略的切换，降低了控制难度并减小了切换冲击；但没有考虑到电网电压和频率的扰动会引起逆变器输出功率偏离额定值。提出自适应调节下垂系数的下垂控制来克服电网的扰动，保持逆变器输出功率恒定；但该方法控制功率依然不够准确，且下垂系数的大小影响系统的稳定性，不宜频繁进行改变。本文针对光伏发电系统的特点，提出适用于光伏逆变器的改进下垂控制策略，在并网运行时采用动态平移下垂曲线的方式抑制线路阻抗差异及电网扰动引起的逆变器输出功率偏移，实现光伏逆变器始终以最大有功功率并网；提出在并网运行时将光伏逆变器直流母线电压控制环引入下垂控制中，实现两级式光伏逆变器的稳定运行；为减小孤岛模式切换至并网模式的冲击，在孤岛下垂控制中增加了预同步环节。
二、下垂控制
下垂控制是逆变器无线并联控制方法，通过模拟电力系统中同步发电机的“一次调频”和“一次调压”，实现逆变器有功功率和无功功率的解耦控制。该控制方法能使并联的各逆变器仅仅需要检测自身信息就能使负载功率自动进行合理分配，而不需要通信，属于对等控制方法[15-161。传统下垂控制假设逆变器并联时线路阻抗为感性，从而推导出尸，和Q-U的近似线性关系，下垂方程为
f=fo—kp(P—eo)⋯lu=U0一kq(Q—Q0)r7
式中：分别为逆变器输出频率和电压；而和砜分别为额定频率和电压；kp和‰分别为有功功率和无功功率下垂系数；P和Q分别为逆变器输出有功功率和无功功率；P0和Qo分别为额定有功功率和无功功率。本文基于式(1)进行分析，仅考虑线路阻抗呈感性的情况。
三、光伏逆变器孤岛控制策略
本文所研究的光伏逆变器结构为广泛使用的两级式结构，前级为Boost变换器，后级采用单相全桥逆变器，逆变器通过LC滤波器输出。孤岛控制策略如图1所示。图1中：C．为光伏稳压电容，三l为Boost电感，To为Boost开关管，Dl为续流二极管，C2为直流母线电容，三。。和C扯分别为滤波器电感和电容。前级Boost变换器采用电压单环控制，将直流母线电容电压升高到合适的水平并维持其稳定，Uoc和％c。f分别为直流母线电压和电压给定；后级全桥逆变器采用式(1)下垂控制，fI．为电感电流，U。。和五。分别为逆变器输出电压和电流。逆变器输出功率由负载决定，下垂控制实质上是根据有功功率尸和无功功率Q，调整输出电压的幅值U和频率^重新生成参考正弦电压信号，属于电压型控制，能够支撑负载供电电压的稳定。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆下垂控制不但可以控制逆变器单机供电，而且可以实现逆变器的多机并联共同分担负荷，在孤岛运行时具有控制灵活、适应性强和可靠性高等优点
三、伏逆变器并网控制策略
3．1概述
光伏并网发电时，为充分利用太阳能，前级Boost应采取最大功率点跟踪(maximumpowerpoint仃acking，MPPT)控制，使光伏始终发出最大功率。光伏并网发电系统的后级逆变器普遍采用电流型控制，通过锁相环(phase—lockedloop，PLL)g艮踪电网电压，使逆变器输出电流与电网电压同频同相，通过控制电流的大小直接控制逆变器以最大功率并网。逆变器孤岛运行时，必须采用电压型控制才能保证负载供电电压和频率的稳定。本文为了从根本上抑制模式切换所产生的冲击，采用电压型控制方案进行并网，避免了并网与孤岛运行时控制策略的切换。下垂控制通常用于孤岛运行中，本质上属于电压型控制，不能通过电流反馈直接控制并网电流，只能微调逆变器输出电压来进行间接控制，因此其并网控制策略更加复杂。
3．2最大功率扰动分析
光伏并网时应将尽量多的有功功率馈入到电网中，前级Boost变换器采用最大功率跟踪控制。为维持系统稳定，前后级输出功率应保持一致，所以后级逆变器下垂控制的P0应始终等于光伏阵列最大功率PPv一，Po是一个实时变化的值，而Q0始终为0。如图2所示，，则光伏逆变器前后级输出功率一致，系统稳定运行于a点；若某一时刻Ppv。。变为Pl，则Boost变换器输出功率为P。，而后级逆变器频率仍被电网拉为而，输出功率仍然为Po，造成前后级输出功率的不平衡，引起系统的不稳定，触发直流母线电容电压的过压／欠压保护；此时应调整下垂方程使R=局，即平移P．厂下垂曲线，使系统稳定运行于b点。对于光伏并网无功功率的控制，使Q0始终为0，下垂曲线不需要进行平移。
四、模式切换控制策略
光伏逆变器从并网切换到孤岛时，只需从图5所示并网控制策略切换到图1所示孤岛控制策略，传统下垂控制会根据本地负荷功率情况自动调节频率和电压幅值。由于孤岛运行时逆变器的频率和电压幅值由下垂方程和本地负荷决定，必将导致与电网频率、相位和电压幅值的差异。为了避免逆变器从孤岛切换到并网时的冲击，并网前逆变器输出电压的各物理量应尽可能与电网一致，预同步必不可少，逆变器频率为．而，输出有功功率为P0，此时运行于a点；预同步启动时，检测到电网频率为．钿，孤岛运行时功率由负荷决定，输出有功功率仍为P0，可平移下垂曲线，使逆变器工作于b点。电压的预同步过程同理。
五、结束语
本文光伏发电系统在孤岛运行模式和并网运行模式下均采用下垂控制，避免了2种模式间控制策略的切换。分析了光伏功率波动、电网波动及线路阻抗大小对逆变器并网功率的影响。对传统下垂控制进行了改进，通过增加功率反馈环实现下垂曲线的动态平移，使逆变器并网时克服各种干扰条件恒功率输出。针对光伏逆变器拓扑的特点，在并网下垂控制中设计了直流母线电压控制环，实现了控制功率和控制直流母线电压的双重功能，维持系统并网运行的稳定。孤岛运行时，在传统下垂控制中增加了跟踪电网相位和电压的预同步环节，减小了并网瞬间的冲击。本文最后搭建了光伏发电系统的仿真模型和实验样机，仿真结果和实验结果表明系统满足了2种模式稳态运行的要求和模式切换暂态过程的要求，验证了所提出控制策略的有效性究。
参考文献：
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论文作者:王科,杜宗峰
论文发表刊物:《电力设备》2019年第17期
论文发表时间:2019/12/17
标签：逆变器论文; 电压论文; 光伏论文; 功率论文; 孤岛论文; 电网论文; 策略论文; 《电力设备》2019年第17期论文;