光伏并网逆变器控制策略的研究
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摘 要：为了提高光伏电源逆变器并网对配电网电压的影响，并给出合理的分布式光伏并网规划方案，针对输出电能稳定性建立双环控制策略，利用仿真软件PSCAD/EDC进行了建模和仿真并以此组建了整个光伏微电网系统模型。用双环控制对控制策略进行了优化，使光伏发电系统进过逆变器输出功率最大。通过仿真实验，该仿真分析结果可为光伏发电控制系统系统优化及规划建设提供科学的参考依据。
关键词：光伏电源 逆变器 PSCAD/EDC 双环控制策略 最大功率输出
中图分类号：TM 914 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）09（c）-0115-04
Abstract：In order to improve the impact of grid-connected photovoltaic power supply inverters on the voltage of distribution network， a reasonable distributed photovoltaic grid-connected planning scheme is proposed. A dual-loop control strategy is established for the stability of output power. The whole photovoltaic micro-grid system model is established by using simulation software PSCAD/EDC. The control strategy is optimized with double-loop control to maximize the output power of photovoltaic power generation system through the inverter. Through simulation experiments， the simulation results can provide a scientific reference for the optimization and planning of photovoltaic power generation control system.
Key Words：Photovoltaic Power Supply; Inverter; PSCAD/EDC; Double-loop control strategy;Maximum power output
1 引言
随着全球能源短缺和环境污染的日益恶化，分布式光伏发电以其资源丰富、清洁无污染等优势得到了国家能源政策的扶持和社会的广泛关注[1]。随着光伏发电多个容量的不断接入，光伏逆变器控制策略研究尤为重要，提高控制的内外淮控制，随着容量增加对光伏发电逆变器对电网系统参数电能指标影响越来越明显[2-3]。
2 光伏逆变器双环控制策略数学模型
光伏并网逆变器逆变器控制策略主要研究分为内环电流控制和外环电压控制;其中，内环电流控制主要用于实现逆变器交流侧电流波形和相位的直接控制，来实现快速对参考电流完成跟踪的目的。外环电压控制根据控制目标可以实现定直流电压控制、定有功功率控制、定无功功率控制和定交流电压控制等控制目标。
逆变器电网电压定向的矢量控制，要实现逆变器有功功率﹑无功功率的控制，关键在于Id、Iq的控制，在静止dq坐标系下，建立三相并网发电系统数学模型，dq坐标系下的并网发电系统数学模型，研究根据基尔霍夫电压方程，得：
（1）
其中，令矢量，x为对应的物理量，下标a、b、c表示各相向量，而。 式中，L为滤波电感，R为电感的寄生电阻。利用Clark变换将三相静止坐标系下的系统模型转化为两相静止坐标系下的系统模型，Clark变换满足[4]：
（2）
式中，T表示变换矩阵，
为αβ两相静止坐标系下矢量，。
对式（1）与（2）进行联立，可得：
（3）
利用Park变换将两相静止两相静止α北塔坐标系下坐标系下的系统模型转化为两相旋转dq坐标系下的系统模型，即：
表示变换矩阵 （4）
将上式（3）与（4）联立，可得，
式中，
因此，dq坐標下，三相并网系统的模型为[5]：
（6）
从（5）与（6）可以看出，dq轴中存在耦合关系，而为了实现d、q轴间的解耦，因为易于实现等优点，本文引入前馈解耦的方法，实现dq轴的解耦控制。对Id和Iq进行比例积分调节时，使得[6]：
（7）
通过（7）式可知，系统引入前馈控制量，使得（6）式模型中的耦合项进行相互消除，从而实现解除耦合的目的。如下式所示[7]：
（8）
由（8）分析可以得到，基于电压定向的矢量控制系统结构图1，让无功电流的给定值;从而使得功率因数为1，满足并网的需要[8]。根据需要输出的有功功率大小，对有功电流的给定值大小进行设定，利用电压、电流传感器检测三相电网电压eabc与三相并网电流iabc，通过同步锁相环与坐标变换，将同步旋转坐标系中的直流分量Id与Iq给定值进行比较，并用PI控制器来调节。然后引入状态反馈与电网电压前馈环节进行解耦，输出量经过坐标逆变换得到三相调制波，通过SPWM调制实现逆变器的并网控制。通过电压电流双环控制方式实现本系统的控制，在直接电流的控制下，采用基于电网电压定向的矢量控制方案，保证系统以单位功率因数并网运行[9]。 4 光伏逆变器双环控制策略仿真
利用PSCAD/EMTDC仿真软件建立光伏发电逆变器双环控制策略仿真模型。对基于同步旋转坐标系的三相数字锁相环进行仿真，设置电网电压为220V/50Hz，通过锁相环得到电网电压相位如图4所示。
由图4可以看出，在没有双环控制策略的情况下，信号有直流信号逆变为交流信号，设计合理。但是，波形中有干扰波。经过双环控制策略由图8可以看出，与图6相比，波形得到明显改善，滤除了干扰波，使得输出波形趋向于正弦波信号。LCL滤波电路的设计，满足设计要求。
在理想的锁相结果基础上，对三相逆变器的并網运行进行仿真，系统仿真模型图8所示，包括直流电源，逆变电路，滤波电路，电网，锁相环，坐标变换，PI调节， PWM发生器等模块，采用基于电网电压定向的矢量控制策略，引入状态反馈实现对 ﹑ 的解耦控制。光伏逆变器在经过滤波电路后，在经过短暂的调节，三相电流电压平衡输出，并网电流能够有效跟踪给定电流，与电网电压保持同步，系统实现单位功率因数并网运行。
为实现光伏发电系统的并网，则需要与主网相连，主网电压为考虑5%的网损，故基准电压设为400V，频率为50Hz，即设置并网电压为220V/50Hz。主网输出三相交流电，如图9所示。
在光伏逆变器电路后，输出信号分别与大电网和负载相连，仿真电路如图10所示。
仿真结束后，结果显示，逆变电路输出参数：电压为1.244kV，有功功率为11.94kW，无功功率为100.7Kvar;主网输出参数：电压为0.5965kV，有功功率为142.3kW，无功功率为23.79Kvar;负载输出参数：电压为0.1542kV，有功功率为154.2kW，无功功率为76.88Kvar。由图4中方向可知，通过计算可以得到，光伏输出与主网输出共同为负载供电，满足功率平衡条件。
5 结语
本文针对光伏发电逆变器控制策略进行了研究，针对输出电能稳定性建立双环控制策略，在PSCAD软件仿真环境下进行了建模和仿真并以此组建了整个光伏微电网系统模型。用双环策略对逆变器稳定性进行了研究，使光伏发电系统进过逆变器输出功率最大。通过仿真实验，系统并网电流和电压能稳定的保持同频同相，太阳能光伏发电电池板输出功率增加，逆变器的输出功率稳定并且可控。双环控制通过验证证明双环控制策略的有效性。
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