可调度型光伏逆变器滑模电压控制方法研究_李清然

［14 ～ 18 ］
技术得 到 广 泛 关 注
［1 ～ 3 ］
。国 家 电 网 公 司 颁 布 的
《国家电网公司关于印发分布式电源并网相关意 见和规范的通知 》 提出为分布式光伏发电的发展 提供优惠优质服务， 推动了小型户用并网光伏发 电的发展。逆变器作为并网光伏发电系统与电网 的接口，其性能优劣直接影响用户和电网的电能 质量
2. 1
参考电压生成
光伏发电系统并网运行时， 逆变器的控制目
标为输出功率跟踪电网功率调度指令的要求； 光 伏发电系统离网运行时， 逆变器的控制目标为保 证负载的电能质量。 根据不同的控制目标， 逆变 器输出电压参考值 u cref 的生成方式不同。 2. 1. 1 并网模式 如图 1 所示，在并网模式下， 并网开关 S1 闭 合，本地负载选择开关 S2 接入 a 点， S3 闭合。 参 考电压生成方式选择虚线框中并网模式方式。 根据有功和无功的调度指令确定逆变器输出 电压， 可 以 实 现 有 功 无 功 的 解 耦 控 制。 设 P ref ， Q ref 分别为逆变器输出功率调度指令， Ip ， I q 分别为 Up ， Uq 分 逆变器输出有功电流、无功电流参考值。
电系统，多经过电缆线路并入电网， 由于电压等 级比较低，所以线路电阻不能忽略。
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逆变器滑模电压控制方法
传统的并 / 离网双模式逆变器多采用混合电压
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可调度型单相光伏逆变系统结构
对于小容量的户用光伏发电系统， 多采用单
电流控制模式。 当光伏发电系统离网运行时， 将 逆变器等效 为 电 压 源， 采 用 电 压 模 式 控 制 结 构， 控制输出电压瞬时值； 当光伏发电系统并网运行 时，将逆变器等效为电流源， 采用电流模式控制 结构，控制并网电流与电网电压同频同相， 实现 单位功率因数并网。在并 / 离网系统运行方式切换 时，逆变器的控制结构也要相应切换， 切换过程 中负载电能质量较差， 对电网造成一定冲击。 对 于小容量户用光伏发电系统， 天气较好的白天并 网发电，为了防止电网功率倒送， 夜间及阴雨等 不能发电时一般将其与电网分离， 因此需要频繁 的并 / 离网操作，逆变系统显然不适合采用上述传 统控制方法。 本文所提滑模电压控制方案， 无论光伏系统 并网、离网运行， 逆变器均采用电压控制， 不存 在电压电流控制模式切换， 滑模控制作用下电压 稳定性好， 并 / 离网操作过程中负载 电 能 质 量 良 好，对电网无冲击。 下面详细分析并 / 离网运行方式下光伏逆变器 滑模电压控制方案的设计过程。
收稿日期： 2015 － 03 － 24 。 基金项目： 国家自然科学基金 （ 51177047 ） 。
） ，女，硕士研究生，研究方向为新能源发电技术 ，Email： qingr_ li@ 126. com。 作者简介： 李清然 （ 1989-
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电 力 科 学 与 工 程
2015 年
器应该具有较宽的直流输入电压适应范围、 对负 载扰动的不敏感性和鲁棒性以及良好的动态特性。 滑模控制具有响应速度快、对参数和扰动不敏感、 简单易实现等优点， 因此本文采用滑模变结构控 制方法实现上述逆变器控制方案。
满足滑模存在性及系统稳定性。
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电 力 科 学 与 工 程
2015 年
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仿真与分析
在 Matlab / Simulink 环 境 下 搭 建 模 型 进 行 仿
真。选取滤波器参数为 L f = 5 mH，C f = 10 μF。光 伏系统出口选择 400 V 低压电缆并网， 滤波器出 口到电网距离取为 1. 5 km。滑模面系数 c = 3 000 ， 指数趋近律系数 ε = 5 ， k = 2 500 ， 开关器件工作 的频率为 10 kHz。考虑如下方面： （ 1 ） 有功功率调度指令 P ref 、 无功功率调度 指令 Q ref 变化条件下，检测逆变系统输出功率跟踪 调度指令的能力。 （ 2 ） 直流电压 U dc 变化条件下， 检测逆变器 的直流输入电压适应能力。 （ 3 ） 并 / 离网运行方 式 切 换 条 件 下， 检 测 切 换过程中负载电能质量以及注入电网的电能质量。 （ 4 ） 本地负载 Ｒ load 变化条件下， 检测逆变器 负载适应能力。 在实际光伏发电系统中， 上述变化或者扰动 随机发生，最恶劣的情况即同时交叉发生， 因此 本文在仿真中考虑同时交叉发生的情况。 设 定 仿 真 时 间 为 1 s， 0. 125 s 时 刻 并 网， 0. 935 s时刻离网，本地负载电阻在 0. 54 s 由 10 + j9. 4 Ω突变为 20 + j15. 7 Ω。逆变器直流输入电压 的扰动如图 3 所示， 直流电压波动范围为 450 ～ 550 V 。
，开展对逆变器的研究对分布式光伏发电
［6 ， 7 ］
推广意义重大。 目前常 用 的 逆 变 器 控 制 策 略 有 PI 控 制 比例谐振控制
［8 ， 9 ］
、
、 重复控制
［10 ］
、 无差拍控 制
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等，这些控制方法各自有其优点同时仍存在一些 不足。PI 控制原理简单， 但控制精度较差； 比例 谐振控制可以消除稳态误差但存在带宽限制问题； 重复控制对于死区等周期性扰动有良好校正作用， 但其对于非周期性扰动效果较差； 无差拍控制动 态性能好，但其对运算速度和系统模型精确性的 要求很高，限制了其在工程上的应用。 并 / 离网双模式逆变器多采用混合电压电流控
· uc u c + ） Lf Cf Ｒo Cf
由 式 （ 4 ） 可 见， 有 功 无 功 可 以 单 独 调 节， 实现解耦控制。 有功、 无功调度指令变化后， 逆 变器输出电压参考值的幅值和其相对于电网的相 位会相应变化，逆变器输出电压 u c 在滑模电压控 制模块作用下跟踪参考值 u cref 从而保证逆变器输出 功率跟踪功率调度指令。 2. 1. 2 离网模式 电网故障情况或者因用户需要频率等与市电 不同的特殊电能而使光伏发电系统离网运行时， 如图 1 所示，并网开关 S1 打开， 本地负载用电选 择开关 S2 接入 b 点， 不 再 经 过 电 缆 线 路， S3 闭 合，由光伏发电系统为本地负载供电。 逆变器的 输出电压参考值 u cref 可以选择用户给定的参考电 压，参考电压的幅值频率等参数根据用户自身需 要而定。 光伏发电系统并 / 离网运行时，滑模电压控制 作用下逆变器的输出电压跟踪参考电压， 下面分
采用指数趋近律缩短到达滑模面的时间： ds = － εsign（ s ） － ks dt （ 9）
式中： ε 和 k 为指数趋近律系数。k 能保证当 s 较 大时系统以较大的速度趋近滑动模态， ε 使得当 s 接近 0 时，趋近速度不是 0 ，保证系统在有限时间 内到达滑动模态。 通过选择合理的 ε 和 k （ ε ＞ 0 k ＞ 0 且 k 适当大） 可以保证快速趋近 且 ε 很小， 并削弱抖振现象。 联立式 （ 5 ） u eq = ～ （ 9 ） 得到等效占空比： Lf Cf ¨ （ － εsign（ s ） － ks + u cref + U dc
· · c（ u cref － u c ） +
（ 10 ）
由于等效占空比中含有直流侧电压 U dc ，所以 控制系统对于逆变器直流侧电压的波动有良好的 鲁棒性。 联立式 （ 5 ） s ～ （ 10 ） 并化简得到： （ 11 ） ds = s （ － εsign（ s ） － ks ） ＜ 0 dt
［4 ， 5 ］
还
存在控制复杂、 实现困难等问题。 由于光伏系统 输出功率具有随机性和不可控性， 随着光伏电源 渗透率的增加， 如何控制其输出功率， 使其参与 电网调度也成为电网即将面临的问题， 而目前这 方面的研究还比较少。 针对上述问题，本文设计了光伏系统并 / 离网 运行方式下的逆变器电压控制方案， 在光伏系统 运行方式切换过程中， 无需对逆变器的控制模式 进行切换， 简单易实现， 对于负载、 电网和逆变 器安全无冲击。 由于小型的户用光伏系统可能需 要比较频繁的并 / 离网操作，因此在并网模式下逆 变器采用电压控制相对于电流控制有较大优越性。 并网运行时通过调节逆变器的输出端电压实现有 功和无功的快速跟踪， 可以灵活方便地进行功率 调度控制。另外根据用户对逆变器的需求， 逆变
制模式
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。并网运行时控制逆变器的输出电流
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引言
随着能源和环境问题日益突出， 分布式发电
与电网电压 同 频 同 相， 实 现 单 位 功 率 因 数 并 网； 而离网运行时逆变器采用输出电压控制方案。 因 此并 / 离网运行方式切换需要伴随逆变器控制模式 切换，比较复杂， 并且切换过程中存在负载电能 质量较差、冲击电压电流过大等问题， 不利于电 网和逆变器安全运行。目前无缝切换技术
（ 6）
为控制逆变器输出电压， 以状态偏差量建立 滑模面函数： e = u c － u cref
图2 参考电压生成原理
（ 7） （ 8）
s = ce + e 式中： c 为滑模面系数。 （ 3）
·
则逆变器输出电压参考值为： U cref = U s + U p + U q 将式 （ 1 ） ，（ 2 ） 代入式 （ 3 ） 可得： U cref P ref Ｒ + Q ref X P ref X － Q ref Ｒ = Us + +j （ 4） Us Us
相全桥逆变器与电网相连。 因此本文依托单相全 桥逆变器展开研究， 所采用的单相逆变系统结构 如图 1 所示。
图1
单相逆变系统结构图
图 1 中 U dc 表示等效替代直流电压源； L f ， C f 表示滤波电感和电容； Ｒ + j X 表示电缆线路的阻 抗； Ｒ load 表示用户的本地负载； u s 表示电网。S1 为 并网开关， 当电网故障时， S1 断开隔离故障。 S2 为本地负载用电选择单刀双掷开关， 电网为本地 负载供电时， S2 掷于 a； 光伏发电系统为本地负 载供电时，S2 掷于 b。 S3 为光伏发电系统出口开 关，当光伏发电系统故障时， S3 断开隔离故障。 图 1 虚线框中为光伏发电系统并网模式和离网模 式不同的参考电压生成方式。 光伏发电系统中，光伏电池经过 DC / DC 变换 器实现最大功率跟踪和升压功能， 同时可调度型 光伏系统必然要求配备一定容量的储能装置， 满 足功率调度需求。 因本文讨论重点在于逆变器控 制，简单起见， 将这部分电路用电压在一定范围 内波动的直流电源 U dc 等效替代。光伏系统输出的 直流电能，经过逆变器和滤波器后转变为符合要 求的工频交流电并入电网。 小容量的户用光伏发