光伏并网逆变器控制策略的研究

光伏并网逆变器控制策略的研究

魏明

（国网南京供电公司江苏南京210012）

摘要：当今世界经济的迅猛发展需要越来越多的能源作为支持。目前，世界各国大多以石油、天然气和煤炭等原料作为主要能源。随着这些常规能源的消耗，必将导致常规能源的逐渐枯竭，在不久的将来仅靠这些能源就不能满足人类的需要。同时，也将导致环境污染问题的日益严重。因此，世界各国越来越注重对可再生清洁能源的开发与利用。于是太阳能、风能、核能和地热能等新能源开始走上了能源结构变革的舞台，充分利用这些新能源将会改变人类现在面临的能源和环境问题。

关键词：光伏并网；逆变器；控制策略

引言

随着“智能电网”概念的提出，分布式电力系统越来越受重视，光伏并网发电系统是分布式电力系统的一种重要形式，发展前景很好。逆变器技术是光伏并网发电系统的核心技术，目前，光伏逆变器的容量不断增大，逆变器并联是提高系统容量的一种有效途径，光伏并网逆变器是光伏发电系统中的重要组成部分，光伏并网逆变器的性能优良与否直接影响到系统的性能。在拓扑结构一定的情况下，并网逆变器的性能取决于控制策略。

一、光伏并网发电系统结构

（一）隔离型光伏并网逆变器

首先我们根据系统是否含有隔离变压器可以将并网逆变器分为隔离型和非隔离型。而隔离型并网逆变器又可以根据隔离变压器的工作频率的不同进行分类：若变压器是工频隔离型的，则并网逆变器也称为工频隔离型逆变器；若变压器的工作频率是高频的，则称为高频隔离型逆变器。隔离变压器就是将输入侧和输出侧进行电气隔离的器件，增加了系统的安全性能，并且含有工频变压器的并网逆变器的主电路和控制电路都比较简单。但是它的缺点是体积比较大，质量比较重，增加了安装和维护的难度。与前面的相对应，高频隔离型逆变器采用的是频率较高的变压器进行输入侧与输出侧的电气隔离。而高频型变压器的优点是体积小、质量轻且效率高。缺点是电路比较复杂。

（二）非隔离型光伏并网逆变器

隔离型逆变器由于隔离变压器的存在，会使逆变器的性能存在一些问题。但是如果并网系统不需要进行电气隔离或者系统本身的绝缘性能比较好的话，就可以不用隔离变压器进行隔离和升压。这样就可以在提高系统的发电效率的同时又克服了体积大和质量重的缺点。省去隔离变压器的并网逆变器称为非隔离型并网逆变器，而非隔离型并网系统可经过一级能量变换就并入电网，也可以经过多级的能量变换后再并入电网。因此不含变压器的并网逆变器结构可分为：单级式逆变器和多级式逆变器。单级式逆变器将光伏电池输出的直流电能直接经过逆变器部分进行能量变换后就并入了电网。而多级式逆变器使光伏电池输出的直流电能经过了多次的电能变化后并入电网，典型的是两级式逆变器。在两级式逆变器中，除了前级DC/DC升压环节外，还有DC/AC逆变环节。单级式逆变器只有一级的能量变换，电能损耗比需要变换两次的两级式逆变器要低，但是它的控制要求比较高，系统所有的控制策略都要在DC/AC环节完成。而两级式逆变器则不同，系统的控制策略可以选择在不同级完成，每一级的控制则相对简单、独立，并且多级式结构的成本也相对要低廉一些。

二、光伏并网逆变器的常用控制方法

（一）环流抑制

在对环流抑制时，通常不针对单个环流通路的环流进行控制，而是通过控制零序电流来对所有环流进行控制。根据第二章中并联三相光伏逆变器的零序电流的数学模型可以看出，零序电流的变化率由两个逆变器的零序占空比之差决定。对于单个逆变器，由于环流通路不存在，通常不考虑零序分量。当两个逆变器并联时，由于形成了环流通路，即使两个逆变器零序占空比之差较小，也会形成较大的零序电流，这是因为零轴是个仅含有电感的无阻尼回路，因此在两个逆变器并联时，需要考虑零序分量。

（二）常规情况下，并联模块通常只考虑并联均流的情况，在一些特殊情况下可能需要对各模块的电流给定进行分配，即电流给定值不同。图1为滤波电感相等给定电流不相等时的仿真结果，图中从上到下依次为两个变流器A相电流，零序电流。仿真条件为：模块一滤波电感为6mH，模块二滤波电感为6mH，模块一给定相电流为10A，模块二给定相电流为5A。从仿真结果可以看到，在不针对环流进行控制的情况下，电流波形会发生严重畸变，当采用环流PI控制时，对环流有一定的抑制效果，但电流波形仍存在一定畸变。而当采用环流前馈控制方法时，环流抑制效果明显优于环流的PI控制方案。

c)前馈控制

图1滤波电感相等给定电流不相等时仿真结果

三光伏并网逆变器的输出控制方式

当网侧电压Unet一定时，控制逆变器输出电压Uout相位超前网侧电压相位，即可使并网电流与网侧电压相位一致。这种控制方式我们称之为间接电流控制，因为它是通过控制输出电压来间接完成对输出电流的控制。如果直接对输出电流进行控制的话，我们称这种控制方式为直接电流控制。因此，并网电流控制可以包括以下两种控制方式：

（1）间接电流控制：（亦称幅相控制）是基于稳态的电流控制方法，依据并网控制系统的要求能够得到有功、无功功率的指令，再加上我们已知的网侧电压矢量，可以求得系统需要的并网电流矢量*I；再由上面的矢量图算出并网逆变器的输出电压矢量指令Uout*，即Uout*=Unet*+jwLI*；最后通过控制开关管通断来调节输出所需要的电压矢量，从而间接的完成并网电流的控制。因此，对并网电流矢量的控制是通过对输出电压矢量的控制来间接完成的。此控制方式具有控制简单、无需电流检测的优点，但是间接电流控制方法动态响应速度比较慢，易受系统参数变化的影响，因为没有电流反馈控制环节，因此这种方法不能保证输出电流的波形品质。

（2）直接电流控制

上面介绍的间接电流控制方式存在很多问题，而直接电流控制方式可以有效的解决间接控制方式的缺点。直接电流控制方式可分为下面三个步骤：第一步，根据并网系统的要求计算出我们要跟踪的电流指令；第二步，将逆变输出的交流电流进行反馈；第三步，通过不断的交流电流反馈，根据实时输出的交流电流与指令电流的差产生控制开关管通断的PWM信号，使输出的交流电跟踪指令电流。并网系统为了实现输出电流与电网电压的同步，需要通过电网电压的信号与电流的有功给定相乘来获得正弦参考电流波形，进而控制输出电流跟踪这一参考电流。直接电流控制不仅可以让整个系统的动态响应速度有所提高，也让输出的正弦交流电波形品质有所提高，同时参数的变化对其的影响程度有所降低。因此本文选择直接电流调节方式。

结束语

21世纪以来，为解决日益严重的能源短缺和环境污染问题，太阳能发电以其独特的优点受到了世界的关注，因此，光伏发电技术成为了发展最快的高新产业技术。但是光伏发电在并网时，因为受到外界因素的影响，会对系统的可靠性、稳定性产生影响，而且也会向电网注入谐波。因此，世界各国的大量学者对光伏并网逆变技术进行了研究。

参考文献

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[3]潘卫明.单级三相式光伏并网逆变器研究[D].哈尔滨工业大学硕士学位论文，2011：40-41.