单相双级型光伏构网与跟网逆变器仿真设计_冯文波.pdf

2023年第3期 23 摘 要：光伏发电技术的快速发展，带来光伏系统仿真研究的需求。针对目前光伏系统缺乏构网型与跟网型控制的综合仿真研究，及对储能系统功率补偿的依赖程度较高的问题，建立了单相双级型光伏构网与跟网逆变器的仿真模型，设计了无储能的光伏系统控制方法，并在结构一致性的基础上优化光伏系统控制结构。通过在MATLAB/Simulink软件中对所设计的光伏构网与跟网系统进行模拟仿真，验证了控制方法的有效性。关键词：单相双级型光伏系统构网控制跟网控制逆变器设计 中图分类号：TM359 文献标志码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-2807.2023.03.006 Abstract:Therapiddevelopmentofphotovoltaic(PV)powergenerationtechnologybringsthedemandinthefieldofPVsystemsimulationresearch.Inviewofthelackofcomprehensivesimulationresearchongrid-constructing&grid-followingcontrolofPVsystemaswellastheproblemofhighdependenceonpowercompensationofenergystor-agesystem,thesimulationmodelofsingle-phasetwo-stagePVgrid-constructingandgrid-followinginverterisestab-lished,thecontrolmethodofPVsystemwithoutenergystorageisdesignedandthecontrolstructureofPVsystemisoptimizedonthebasisofstructuralconsistency.Theeffec-tivenessofthecontrolmethodisverifiedbysimulatingthedesignedPVgrid-constructingandgrid-followingsystembymeansoftheMATLAB/Simulinksoftware.Keywords:single-phasetwo-stagephotovoltaicsystemgrid-constructingcontrolgrid-followingcontrol inverterdesign单相双级型光伏构网与跟网逆变器仿真设计冯文波1范铮2伊比益1朱凯翔1郑太英21.浙江华云电力工程设计咨询有限公司（310016）2.浙江大学（310027）Simulation Design of Single-phase Two-stage Photovoltaic Grid-constructing and Grid-following InverterFENG Wenbo1 FAN Zheng2 YI Biyi1 ZHU Kaixiang1 ZHENG Taiying21.ZhejiangHuayunElectricPowerEngineeringDesign&ConsultationCo.,Ltd.（310016）2.ZhejiangUniversity（310027）随着光伏、风电等新能源发电技术的快速发展，新能源电站的数量和容量均有所提升，电力系统中的新能源渗透率增加，使系统结构与控制性能均出现重大变革。光伏系统引入传统电网将带来稳定性下降、调频惯量丢失、逆变器等效电源形式冲突和保护设定等诸多问题，亟须通过数学方法、仿真建模以及实物实验等方式予以解决。其中，仿真建模研究既能够融合光伏功率特性等重要的数学特性，又能够为光伏系统的实物设计与实验提供参考，是光伏系统研究的重要组成部分。目前，光伏系统的功率电路与控制电路建模研究均已经取得一定的进展。光伏功率电路拓扑，从电路相数而言，以单相和三相为主，其中单相光伏主要面向小容量户用、小规模分布式发电，三相光伏主要面向大容量厂用、大规模集群式发电。从光伏系统结构而言，以单级型和双级型为主，其中双级型光伏虽然增加了光伏系统结构的复杂程度，但能够将光伏输入侧的电压控制与逆变器直流总线电压控制隔离，因此具备更灵活的控制性能，也提升了光伏系统在复杂控制下的功率利用效率。此外，光伏系统的DC/DC变换电路和DC/AC逆变器存在大量改进的谐振拓扑变形，以改善电路运行的稳定性和输入、输出特性等。24 2023年第3期 从光伏系统仿真研究的进展来看，能够综合考虑电路的拓扑结构、基本控制策略和上层控制方法的研究成果较少1-2。同时，现有的光伏系统在硬件结构和软件设计上，一般将构网型控制与跟网型控制分离。构网型光伏系统在逆变器的直流侧并联接入储能电池系统，用以提供光伏系统构网的功率缺额，从而使负荷消耗功率达到额定水平；跟网型光伏系统利用逆变器交流侧并网发电，从而将调节功率缺额的要求转移给外部电网，同时恢复储能电池电量。然而，储能电池会提高光伏系统的成本，同时带来更多控制和安全方面的问题。减小或取消光伏系统中的储能电池，同时保留光伏系统构网和跟网一体式控制性能，成为光伏系统设计中的一个重要问题。为此，本文以单相双级型光伏系统为研究对象，建立光伏逆变器的仿真控制结构。其中，为实现光伏系统在无储能电池情况下的构网控制，利用减载控制的方式调节光伏输出功率。在光伏跟网控制中，通过最大功率追踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）控制，实现光伏系统持续输出最大功率3-5，提高光照利用。1 跟网型光伏系统设计1.1 MPPT控制的DC/DC变换器设计 双级型光伏系统的跟网控制中，DC/DC变换器的主要功能为控制光伏输入电压，从而调节光伏输入功率。对于单个光伏组件或光伏电池而言，其功率特性如图1所示。此后光伏组件输出功率Ppv随着电压Upv增大而下降，直至达到开路电压后，功率为0。光伏的MPPT控制中较为经典的增量法，即根据功率特性曲线上工作点的斜率，调整控制器的占空比d的数值，从而控制开关器件的通断。双级型光伏系统中，D C/D C变换器常用Boost电路实现升压，从而减少直流总线上的功率损耗。对于如图2所示的Boost电路而言，输入电压Upv与输出电压Udc之间的关系可由电感元件L的平均值模型得到。电感电压的关系式为：LdILdt=UL（1）由图1可知：随着光伏组件电压Upv的增大，光伏输出功率Ppv增大；工作点达到最大功率点（MaximumPowerPoint，MPP）时，曲线斜率为0 稳定运行下的一个开关周期内，电感电流维持不变、磁通平衡，从而两侧电压有以下关系：UpvTon+(Upv-Udc)Toff=0（2）其中：Ton一个周期内开关器件的导通时间，Ton=dT；Toff一个周期内开关器件的关断时间，Toff=（1-d）T。从而得到：Upv=(1-d)Udc（3）逆变器控制直流总线电压Udc不变，当工作点位于光伏功率特性曲线MMP左侧时，电压Upv应当增大，占空比d应当减小；当工作点位于光伏功率特性曲线MMP右侧时，电压Upv应当减小，占空比d应当增大。1.2 跟网型DC/AC逆变器设计 双级型光伏系统的跟网控制中，DC/AC逆变器的主要功能为控制直流总线电压，将光伏功率传递至交流侧。常用的单相逆变器拓扑结构为H桥型结构，如图3所示。对于逆变器的控制，通常采用d、q轴双闭环控制。如图4所示，通过d轴控制直流电压，将直流电压的参考值与实测值比较后，输入PI控制环图2 Boost电路结构图1 光伏功率特性与MPPT控制2023年第3期 25 节，输出d轴电流参考值Idref；通过q轴控制无功功率，此处根据外部电网交流电压的有效值Ug调整无功功率，从而控制q轴电流参考值Iqref。在电流内环中，分别将d、q轴电流参考值与实测值比较后，通过PI环节进入电压电流控制环节。经完成从单相到静止坐标系的两相转换，能够利用三相坐标系下锁相环的控制方式得到角频率w和相角。需要注意的是，由于、轴电压均为同一个电压转换而来，因此单相光伏系统中d、q轴参数之间存在一定程度的耦合。在电压电流控制环节中，由逆变器的d、q轴电压和d、q轴电流关系，以及逆变器之后的LC滤波电路中的电阻参数Rf、电感参数Lf，得到以下数学关系：Udref=Ugd+RfId-wLfIq+(kdp+kdis)(Idref-Id)（4）Uqref=Ugq+RfIq+wLfId+(kqp+kqis)(Iqref-Iq)（5）其中：Udref，Uqref分别为d、q轴电压参考值；Ugd，Ugq分别为经过滤波电路后的d、q轴电压值；w系统角频率；Id，Iq分别为d、q轴电流；（kdp，kdi）和（kqp，kqi）分别为d、q轴电流PI参数。值得注意的是，采用d、q轴分解时，单相逆变器本身不具备三相系统锁相环的参数条件，因此需要采用单相锁相环，即二阶广义积分器（Second-OrderGeneralIntegrator，SOGI）。图5给出了二阶广义积分器结构，其中ua为输入的单相交流电压，也视为轴的电压v，通过滞后环节和负系数转换为超前90电角度的轴的电压v，从而得到、坐标轴上的电压。此时，已2 构网型光伏系统设计2.1 直流电压PI控制的DC/DC变换器设计 在构网型光伏系统中，DC/DC变换器仍然需要控制光伏输入Boost电路的电压，从而控制光伏的输出功率。然而，由于没有外部电力系统的辅助，光伏系统自身需要解决负荷消耗功率的缺额问题，应当通过减载控制实现光伏功率的控制。图6为光伏在功率特性曲线上采取减载控制的示意图。当光伏MPP处的功率值大于参考功率Pref时，Ppv=Pref的直线与功率特性曲线交于两点。其中，左侧减载点的功率特性曲线斜率绝对值较小，改变电压Upv对输出功率Ppv的影响程度较小；右侧减载点的功率特性曲线斜率绝对值较大，改变电压Upv对输出功率Ppv的影响程度较大。本文取右侧减载点，通过设定较小的电压变化范围，实现0PMPP的全功率范围调节，使电压控制更为稳定。相应的功率追踪由斜率判断和功率比较判断实现，通过斜率判断可以防止工作点在左侧减载点滞留。图3 逆变器电路结构图6 光伏减载控制图4 逆变器Udc-Q控制策略图5 二阶广义积分器结构 26 2023年第3期 对于功率参考值Pref，本文考虑到光伏系统逆变器在构网情况下建立交流侧电压和频率基准，从而令负荷按照对应的额定消耗功率运行。整个系统中的功率缺额将自然传递至构网光伏系统承担，因此光伏系统有获取功率缺额作为功率参考值的条件。此外，在系统中存在功率电源的情况下，光伏系统也将通过这一方式得到电源与负荷功率之间的差额。对于光伏逆变器，其交流侧输出的有功功率，将按照功率平衡与直流侧输入的有功功率保持相等，而直流总线电压则反映光伏输入功率与逆变器输入功率之间的平衡。因此，在右侧减载区域，当光伏系统输出功率增加时，若不进行光伏功率控制，直流总线电压将下降；当输出功率减小时，直流总线电压将提升。根据直流总线电压调整光伏功率，即为光伏DC/DC变换器对光伏的减载控制，实现光伏独立构网的原理。功率参考值的获取数学关系为：Pref=(kpp+kpis)(Udcref-Udc)（6）其中：kpp，kpiPI控制参数；Udcref直流电压额定参考值；Udc直流电压实测值。通过PI控制的积分环节，对直流电压的差额和系统功率的缺额进行长期补偿，从而使光伏输出功率能够准确达到系统功率缺额数值。2.2 构网型DC/AC逆变器设计 根据光伏系统构网情况下减载控制有功功率的分析，DC/AC逆变器的控制结构应当为常规的VF控制或虚拟同步机控制等，从而达到控制交流侧电压和频率的目的。其逆变器控制策略如图7所示。值进行PI控制，得到能够使光伏交流侧输出额定交流电压的输入交流电压有效值Uref。电压和相角参考值在单相电压生成环节得到时变电压信号uref，经过PWM调制得到开关器件的通断信号3 案例分析 在一个单相光伏系统中，光伏阵列在标准状况（光照1 000 W/m2，温度25）条件下的最大输出功率为5 kW，直流总线额定电压为400 V，逆变器容量允许光伏满发。交流额定电压有效值220 V，额定频率50 Hz。图8给出了光伏系统在跟网控制下的系统参数变化，此时光伏系统运行于MPPT控制模式。光伏系统起动后，在t=1 s后进入稳态。光伏系统输出功率略有超调，最高达到5.15 kW；此后由于电路中存在一定损耗，光伏系统在稳态下输出有功功率4.96 kW，略低于最大功率。直流电压同样 在频率相角控制中，通过对角频率差值进行PI控制，得到能够使光伏交流侧输出额定频率的输入角频率参考值wref，经过积分环节得到相角参考值ref；在电压控制中，通过对交流电压有效图7 逆变器VF控制策略（a）输出有功功率光伏系统功率Ppv/kW时间/s（b）直流电压直流电压Udc/V时间/s（c）频率时间/s2023年第3期 27 存在一定超调，起动时最高达到425 V，此后稳定于400 V额定值。交流侧系统频率在起动过程中略有波动，此后稳定于50 Hz额定值。交流电压有效值始终保持在220 V。在构网条件下，考虑光伏系统在低于5 kW最大功率范围内运行，设定负荷为4 kW，在额定电压220 V下电阻数值等效为12.1，同时观察光伏系统输出功率能否稳定于4 kW。图9给出了光伏系统在构网控制下的系统参数变化，此时光伏系统运行于减载控制模式。光伏系统起动后，直流电压、有功功率和交流电压提升速度慢于跟网起动，在t=3 s后达到稳定。对于光伏系统输出有功功率，在t=2 s后能够达到4 kW，即负荷的额定消耗功率。对于直流电压，由于光伏功率特性曲线非线性，同时光伏减载控制有功功率依托于直流电压变化，存在一定的滞后性，因此在t=12 s时，直流电压滞留于370 V左右，且略有回落，此后继续增加至400 V。对于系统频率，起动时存在更明显的波动。在稳定运行情况下，光伏系统能够控制频率和交流电压在额定数值附近，提供较为准确的电压和频率基准。综上所述，本文所提出的光伏系统控制方法能够满足基本的跟网运行与构网运行性能要求。在跟网运行下，光伏系统运行于MPPT控制模式，输出最大功率。在构网运行下，光伏系统运行于VF控制模式，能够维持交流侧电压与频率在额定值水平。4 结语 本文设计了单相双级型光伏系统实现跟网控制与构网控制的仿真模型。在跟网控制模式下，通过DC/DC变换器实现光伏系统MPPT控制，通过DC/AC逆变器实现光伏功率输出和直流电压稳定；在构网控制模式下，通过DC/DC变换器实现光伏系统减载控制和直流电压稳定，准确补偿负荷消耗功率，通过DC/AC逆变器实现交流侧电压与频率的控制。利用MATLAB/Simulink仿真软件对所提出的控制结构与控制方法进行验证，结果证明了该方法的有效性。（d）交流电压有效值图8 跟网光伏系统仿真运行结果交流电压有效值Vrms/V时间/s（d）交流电压有效值图9 构网光伏系统仿真运行结果交流电压有效值Vrms/V时间/s（c）频率时间/s（a）输出有功功率光伏系统功率Ppv/kW时间/s（b）直流电压直流电压Udc/V时间/s（下转第46页）46 2023年第3期量不平衡4。因此，对于该机组在定速过程中发电机转子前轴瓦振动超标问题，可以通过在发电机转子两端实施反对称加重的形式予以解决。基于上述分析，决定对发电机转子实施现场高速动平衡，加重部位位于#3轴承侧发电机转子护环处（简称P3）和#4轴承侧发电机转子护环处（简称P4），加重形式为反对称配重。根据原始振动数据，计算出本次动平衡配重方案为P3=325g180，P4=325g0。表3为机组动平衡试验数据，图4为动平衡试验后定速过程中#3轴承轴振趋势图。从表3和图7可以看出，通过本次动平衡处理后，#3轴承轴振由148 m降至100 m，其余轴承的轴振均小于76 m，所有轴承的瓦振均小于30 m，满足机组安全稳定运行要求。通过对动平衡前后的振动数据进行分析，发现将原加重方案调整为P3=325g145、P4=325g325 后，#3和#4轴承的轴振均可降至50 m以下。考虑到发电机转子振动不大（距报警值127 m尚有一定裕度），现场没有对加重方案进一步调整。5 结语（1）该汽轮发电机前轴瓦异常振动问题主要由转子质量不平衡所致，现场通过对发电机转子实施反对称加重后，彻底解决了该机组异常振动的问题。（2）当振动信号中出现工频相位等振动特征不符合转子动力学特性时，建议及时复核就地传感器安装位置并检查测量回路的可靠性，确保振动测试信号的准确性及振动测量通道与就地实际位置的一致性。参 考 文 献1 牟法海，昃刚，吕冬梅，等 发电机不稳定振动故障的诊断与处理J 电机技术，2019（5）：43-472 巩振泉，常军燕，郑伟，等 汽轮发电机组不稳定振动的原因分析与处理J 电机技术，2022（5）：30-363 杨建刚 旋转机械振动分析与工程应用M 北京：中国电力出版社，20074 卢双龙 某汽轮发电机后轴承异常振动分析及处理J 电站系统工程，2015，31（6）：73-74（收稿日期：2023-02-13）作者简介：陈文，男，1988年，硕士，电气工程专业，高级工程师，现从事大型旋转电机调试及故障诊断工作。表3 2号汽轮发电机组动平衡试验数据（通频：m）序号工况测点#1#2#3#4备注13000r/minX672814885原始振动Y/39694223000r/minX59579863动平衡后Y48346145337.8MWX617410060Y32415638垂直1127711图7 动平衡试验后定速过程中#3轴承X向轴振趋势图参 考 文 献1 YANGBingdeng，WANGXitian，XIEDa，etal NovelCon-trolStrategyofGrid-ConnectedPhotovoltaicPowerSupplyforFrequencyRegulationJ TheJournalofEngineering，2019（16）：1488-1491.2 WUDan，TANGFen，DRAGICEVICTomislav，etal Coor-dinatedControlBasedonBus-SignalingandVirtualInertiaforIslandedDCMicrogridsJ IEEETransactionsonSmartGrid，2015，6（6）：2627-26383 王建平 光伏发电系统MPPT优化技术的研究D 兰州：兰州理工大学，2020.4 董新超 光伏发电系统MPPT及直流变换环节的研究与设计D.武汉：武汉理工大学，2017.5 张峥，景敏，乔怡 基于MATLAB/Simulink的光伏电池输出特性仿真分析J 四川电力技术，2016，39（5）：14-18（收稿日期：2023-03-28）作者简介：冯文波，男，1980年6月生，硕士，机械工程专业，工程师，现从事新能源设计工作。（上接第27页）