郭鹏
山西省长治沁县供电公司，山西省长治市046000
摘要：从光伏逆变系统中输出的电流在连接到电网时可视为电流源。保持输出电流的波形与电网中的电压波形是光伏发电技术在并网运行中的主要难点。并网逆变系统中主要的运行器件就是逆变器。因此，逆变器控制策略的探索研究已成为了光伏发电系统并网逆变技术的核心研究对象。
关键词：光伏发电系统；并网；逆变器；控制策略
前言
近年来随着分布式发电的广泛应用，清洁能源发电越来越多的被重视。其中的光伏发电作为分布式发电的一种也被广泛的研究，伴随光伏发电的不断增大，其在电网中并网的比例相对增加，由于非线性负荷及不平衡负荷等的存在，其所引发的问题也日益凸显出来。当大规模的光伏发电系统并网时，对电网的电能质量问题及光伏发电系统自身发生故障时，对电网的分离速度等运行状况的影响，成为重要的关注点。
针对光伏发电系统的并网及控制问题，学者们对此进行了一些研究，并且各国根据自己电网的情况，也对光伏发电的并离网情况做出了严格的要求，如并网时谐波畸变率的含量，孤岛情况下电压的不平衡状况等。目前我国对光伏发电的高度重视，使得光伏发电在国内有了一定的发展，由于受到输变电线路等影响，投入并网的光伏电站容量还不够大，光伏发电在电网并网中所占的比例还不够高。当电网发生故障时，并网点的电压会发生电压跌落，光伏发电会与大电网发生断网运行，但这对系统的影响比较小，因为对大电网而言，光伏发电的系统很小，其是作为一个辅助电源甚至负荷来并入电网。
1常用控制策略
1.1电流跟踪控制策略
并网逆变器采用的电流控制是将逆变器输出作为电流源，它与电网的并联可看作电流源与电压源的并联工作。并网工作中只需控制逆变器的输出电流频率、相位跟踪电网电压变化即可达到并联运行的目的。
常用的电流跟踪控制策略主要有瞬时值滞环控制方式、三角波比较控制方式及无差拍控制方式。
滞环控制是把正弦电流基准值与输出瞬时值比较得到的误差量作为滞环比较器的输入，其输出用来控制逆变电路功率管的通断。该控制方式选择适当的环宽很重要，环宽越小，跟踪误差越小，但开关频率越高，开关损耗越大。该控制方式电路简单、不用载波、电流响应速度快，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量。但功率开关频率随负载电流的变化而变化，造成功率开关工作具有很大的不确定性，导致逆变器输出电压中谐波频率随开关频率变化而变化，从而给输出滤波器的设计带来困难。
三角波比较控制方式将正弦电流基准值与输出瞬时值比较得到误差量经PI调节器后送比较器，与三角波比较后得到的SPWM信号去控制主电路功率管的导通与截止。该控制方式与电路跟踪特性和PI电路参数有关，对于PI电路响应快的系统，必须提高三角波载波频率。三角波载波常使用三相三角波信号，以改善输出电压波形，该方法输出电流的谐波脉动比滞后比较器方式少，因此，常用于对谐波和噪声要求较高的地方。
无差拍微处理器控制PWM逆变器是一种基于电路方程式的控制法，其思路是根据电路理论求出决定脉冲宽度的控制方程式，并借助微处理器进行脉宽计算，使逆变器的输出电压逼近理想的正弦波。由于脉冲宽度是根据逆变器当前的电路状态实时确定的，因而无差拍PWM调制法比开环PWM调制法具有更好的动态性能和较强的负载适应能力。当负载突变时，可以减少过渡过程时间，当用于非线性负载时，可以减少输出电压的谐波含量。
1.2电压控制
电压控制逆变器是将逆变器输出作为电压源，它与电网的并联看做2个电压源并联运行，由于市电系统与发电系统中逆变输出相比可视为容量无穷大的交流电压源，因此，要保证逆变器输出与电网同步，需采用锁相控制技术使逆变器输出电压与市电电压同步，同时还要调整逆变器输出电压幅值以避免产生环流。要实现准同步并网，必须要求逆变器输出端各项电动势的瞬时值与电网端对应相电压的瞬时值完全一致(包括波形、频率、幅值、相位、相序)。
锁相环(PLL)是一个能够自动追踪输入信号频率和相位的闭环控制系统，在并网系统中起到很关键的作用。典型的锁相电路基本结构如图1所示，它是由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)组成的相位闭环系统。鉴相器用来鉴别输入信号u1与输出信号u2之间的相位差，并输出误差电压ud。ud中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器的控制电压uf。uf作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率f2拉向环路输入信号频率f1，当两者相等时，环路被锁定。
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2双环控制策略
2.1电压电流双闭环控制
针对现有的光伏发电系统，提出了多种双环控制方案，最常用的是电压电流双环控制策略。基本思路为:外环为电压环，把逆变器输出电压与正弦基准电压比较后得到的误差值经PI调节后作为电流内环的参考基准;内环为电流环，逆变输出电流与电流基准信号相比较得到误差值送比较器，与三角载波比较产生PWM信号去控制功率器件的导通与关断，从而控制逆变器的输出。该方法中，逆变器开关器件工作频率等于三角载波频率，因此，它的工作频率是固定的。由于载波频率固定，逆变器输出谐波频率是固定的，滤波器设计相对于滞环电流瞬时值控制简单，控制效果较好。由于采用了电压、电流双环控制，能较好地获得逆变输出、减小并网环流的作用。结构图如图2所示。
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另外，有一种基于αβ模型的电感电流内环、电压外环的双闭环控制器，对电压外环采用离散积分滑膜控制可以改善系统的稳态性并能增强系统的鲁棒性，保证逆变器在负载变化及参数摄动时输出电压动态响应快、稳态精度高、波形失真率小。
2.2电流瞬时值和电流有效值双闭环控制
为了控制逆变电路输出的交流电流为稳定、高品质的正弦波，且与电网电压同频同相，目前还研究出了另一种电压控制电流的双闭环方式，即外环为电流有效值(RMS)闭环，通过对输出电压的控制来调节并网电流的大小;内环为电流瞬时值闭环，通过实时的电流反馈，修正电流的输出波形。有效值和瞬时值构成的双闭环控制系统保证了对输出电流幅值和波形的要求，并且具有控制物理意义明确、易于软件实现、动态响应快等优点。基本结构图如图3所示。
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3具有功率跟踪的固定开关频率电流控制技术
结合以上方法的分析，本文采用改进型双反馈三角形比较方式作为逆变器输出控制策略。由于光伏逆变器输出功率与光伏器件所提供的能量是相关的，而光伏系统输出功率又是光伏器件所处环境(如日照强度、温度等)的函数，因此，逆变器参考电流会随着光伏器件的输出功率的变化而变化。据此分析，给出光伏系统中并网逆变器的控制原理框图(见图4)。图中，UPV、IPV、PPV分别为光伏器件电压、电流及光伏阵列捕获的最大功率。与上面介绍的电压电流双环控制有所改进的是，逆变器控制电流参考信号是根据光伏器件输出功率及电网电压得到，这样得到的电流指令能根据光伏输出功率和电网电压作实时调整。它与正弦表值相乘得到交变的输出电流指令Irefsinωt，其中，正弦表值由电网电压同步信号得到，能够跟踪电网电压波形变化。电流指令iref与逆变器输出电流相比较得到误差信号，经PI调节器后送比较器，与三角波比较得到的SPWM信号去控制主电路功率管的通断，从而控制逆变器输出电压能够跟踪电网电压，有效减小并网环流，同时使输出功率因数很好地趋近于1。
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4结论
本文对光伏发电并网系统中逆变器的控制策略进行了研究。由仿真结果可以看出，仿真的结果与设计要求是一致的，能稳定地实现光伏逆变并网，使逆变器输出电流较好地与电网电压保持同步实现无冲击并网，输出功率因数近似为1。
参考文献：
［1］潘晓贝．光伏发电系统光伏并网逆变器控制策略研究［J］．佛山科学技术学院学报（自然科学版），2018，36（02）：55－62．
［2］王宝忠，高文，王波．基于定频SVPWM调制VF－DPC控制策略光伏并网逆变器的研究［J］．科学技术与工程，2013，13（30）：9047－9051．