孙敬华
北京动力源科技股份有限公司 北京 100070
摘要：改革后，随着社会发展的影响，我国的科学技术不断进步。光伏逆变器通常采用最大功率跟踪算法尽全力向电网注入有功功率，并不参与电网电压的控制。只有当电网电压超过了保护阈值，光伏逆变器才停止工作以避免引发过电压故障。提出一种光伏逆变器的电网电压控制策略，用以改善电网电压水平，使得光伏逆变器在非最优电网电压情况下依然可以向电网输送电能。根据电网电压控制效果由电网阻抗的阻抗比R/X决定的基本原理，所提出的控制策略在线观测电网阻抗比，实时控制光伏逆变器注入电网的有功功率和无功功率，改善光伏逆变器的电网电压控制效果。所提出的控制策略不仅适用于光伏逆变器，同样也适用于其他类型的分布式发电并网逆变器。
关键词：分布式发电；光伏逆变器；电网阻抗比；电网电压控制；观测
引言
目前已有一些研究尝试解决出现三相不平衡时的分布式光伏并网问题。研究了光伏逆变器在电网不平衡状态下的控制方法。结合风电、光伏发电等分布式能源参与配电网无功优化和电压调控研究现状，对配电网无功优化调控研究方向进行了综述。针对多分布式发电接入的配电网整体优化问题，基于现有的预测及控制技术，分析了大规模间歇式电源集群协调控制的可行性。充分挖掘光伏无功能力，对多电压层级配电网无功电压进行协调控制，满足了线损最小及容量限制等要求。低压配电网也有一些考虑分布式光伏逆变器无功负荷与电站无功补偿器或电站储能协调优化的研究。针对单机控制方面，以光伏发电系统最大程度提高并网点供电质量为目标，提出配电网不同工况与光伏发电系统不同出力下，有功、无功功率优化分配的补偿方案。针对光伏接入配网导致的并网点电压抬升问题，通过合理控制光伏并网逆变器输出有功、无功功率来对电压进行调整，并兼顾了光伏运行效率。在深入分析光伏系统PCC电压特性的基础上，提出一种光伏逆变器有功和无功协调控制策略。提出了一种改进的分布式光伏并网电压和功率因数协调控制策略，分别设计了PI控制器，实现了并网点电压调节。研究了单相光伏大量接入的三相不平衡配电网无功优化问题。
1方案总体设计
本逆变器可分为升压模块、逆变模块、驱动模块、保护模块、滤波模块和主控制模块。升压模块用于将直流侧24V电压经过逆变—升压—整流，输出310V高压直流电;驱动/逆变模块是将310V的直流电利用SPWM控制技术，输出220V等效交流电;保护模块用于检测输出电压或者电流值，超出正常范围时，逆变器停止工作;滤波模块用于将输出的等效PWM波转换为标准正弦波输出，主控制电路模块用于协调处理各部分工作。
2光伏发电系统
本文所研究的光伏发电系统如图1所示。系统包括光伏电池板，实现最大功率跟踪的能量收集变流器以及光伏逆变器（包括三相全桥开关网络和并网滤波器）。光伏逆变器的输出功率取决于光照和能量收集变流器对应的最大功率跟踪点。光伏逆变器通过控制注入电网的电流实现对其直流电压的控制。控制策略平衡了注入直流母线的直流电能和从直流母线抽出、注入电网的交流电能。因此，注入电网的有功功率由能量收集变流器所收集到的能量所决定。
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本文所研究的控制策略不仅对光伏逆变器注入电网的有功功率和无功功率进行控制，与此同时，光伏逆变器主动对电网阻抗比进行在线观测，根据阻抗比观测值，动态设定光伏逆变器注入电网的有功功率指令和无功功率指令。
3光伏逆变器的电网电压控制
基于电网阻抗比在线观测和功率反馈控制的光伏逆变器电网电压控制策略框图如图2所示。电网阻抗比观测触发器用来触发和更新电网阻抗比观测结果——当需要更新电网阻抗比时，它使能75Hz谐波注入40ms，相应的DFT计算，进而获得新的阻抗比值，更新光伏逆变器输出的有功电流参考值和无功电流参考值。当电网阻抗比发生显著变化时，如不更新电网阻抗值，则电网电压的控制效果会减弱，从而电网电压幅值会随之波动。实时观测电网电压幅值，能够作为电网阻抗比观测触发器的使能条件。
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4保护模块
单片机利用分压方式采集逆变电桥直流侧电压，分压电路由1M欧电阻和10K欧电阻串联组成，单片机采集的电压值约为原值的1%，当检测的电压值超出310V时，单片机控制升压模块中的逆变电桥，减小其导通时间，使输出电压值变小;当检测的电压值小于310V时，则增加升压模块中逆变电桥的导通时间，使输出电压值变大，从而保证升压电路整流输出电压值稳定在310V，确保输出交流电压有效值为220V。过流保护电路防止负载工作电流过大损坏逆变器，在逆变电路输出端口安装电流互感器，采集负载端口工作电流，并将值送至单片机I/O口，若电流值在正常范围，光伏逆变器正常工作;若工作电流值超过逆变器工作电流的上限，则单片机控制逆变器，使其停止工作，已达到保护逆变器的目的。
5功能绝缘的安全距离设计
对于功能绝缘的设计，电气间隙设计值为可以通过降一级过电压等级进行设计，功能绝缘的爬电距离与基本绝缘的爬电距离设计值一样。如果功能绝缘的设计值小于要求的数值，则需要PCB的阻燃等级达到V-0，PCB材料的CTI等级为IIIa及以上，并且满足PCB短路试验测试要求，即短路试验后不发生着火或电气绝缘损坏的情况。1000V输入电路的功能绝缘的距离需要达到5.0mm的要求；380V输出的功能绝缘的距离，在不考虑海拔时，至少要达到3.0mm的设计要求。
结语
详细研究了光伏逆变器的电网电压控制策略。通过仿真和实验证明了所研究的策略能够显著地改善电网的过电压现象，同时避免光伏逆变器因为电网过电压而脱离电网。所提出的电网电压控制策略牺牲了部分可收集的光伏能量，达到了维持电网电压，从而保证光伏逆变器持续向电网输送能量的目的。所采用的电网阻抗比在线观测方法能够在电网阻抗比大范围变化的情况下获得准确的电网阻抗比，从而保证电网电压控制策略对过电压的控制性能。仿真和实验充分证明了所研究的电网电压控制策略能够在不同的电网阻抗比下有效地控制电网电压低于额定值的110%，保证光伏逆变器持续并网运行。尽管研究工作得到了有效的效果，具有一定的现实意义，但是，光伏逆变器的容量与电网电压控制效果之间的定量关系以及阻抗观测误差在不同阻抗比范围内所呈现出的趋势也需要通过细化分析，从原理上给出解答，从而进一步减小阻抗观测误差。以上两点是本文工作中存在的不足，也是本文工作的未来研究方向。
参考文献
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