分布式并网研究浅析

郭晓慧　冯松鹏

[摘要]在能源枯竭和环境问题日益严重的今天，光伏利用成为世界各国争相发展的热点，光伏并网发电作为太阳能光伏利用的发展趋势，必将得到快速的发展。而逆变器并网技术是光伏并网发电系统的关键技术。

[关键词]光伏并网；逆变器；控制策略

[中图分类号]P754.1 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0407-01

1 引言

本文系统地概述了光伏并网发电系统的背景及意义，着重分析了几种具有代表性的逆变器并网控制方案的优缺点，并对几种入网电流控制方案进行了分析。

2 并网研究的背景及意义

电力工业长期以来一直采用集中纵向供电的电力生产模式。然而近年许多因素促使其需要不断解决传统模式所产生的问题，这些因素包括：（1）环境保护的压力；为了对付酸雨、全球变暧、土地资源紧缺、新建大容量的电厂和输电线路越来越困难；（2）数字化革命对其提出了新的可靠性和电能质量要求；（3）全球竞争加剧要求高质量和低成本的电力产品和服务；（4）经济高速发展使供电和输电容量相对短缺，供电型式相对单一。到20世纪80年代末开始出现了一个由传统供电模式向集中、分散相结合供电模式过渡的趋势，新型高效绿色的小型独立电源发电所占比例越来越大。随着电力技术的不断发展，公共环境政策的督促和电力市场的扩大等因素的共同作用使分布式电源成为未来重要的能源选择。

分布式发电的一个重要形式就是可再生能源，包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢能所产生的能量。从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是最符合可持续发展战略的理想的绿色能源，太阳能在近些年来引起了世界各国政府和能源专家的日益重视。全球能源专家们认定，太阳能将成为21世纪最重要的能源之一，太阳能的大规模应用将是21世纪人类进步的重要标志。而并网发电是太阳能光伏利用的发展趋势。

3 调度式和不可调度式光伏发电系统

目前常用的光伏并网发电系统可以按照系统功能分为两类：一种是“不可调度式光伏并网发电系统”，这种系统不含有储能环节，比如蓄电池，另一种是“可调度式光伏并网发电系统”，这种系统含有储能环节。

在不可调度式光伏并网发电系统中，并网逆变器将光伏阵列产生的直流电能直接转化为和电网电压同频、同相的交流电能，完全由日照和环境温度等因素来决定并网的时间和并网的功率大小；当主电网断电时系统自动停止向电网供电。该类并网系统一般用于工厂发电，由于没有蓄电池这一中间环节，系统成本比有蓄电池的降低40%左右。

可调度式光伏并网系统增加了储能环节（目前主要为蓄电池，将来也可能逐步为燃料电池等其它分布式电站的新技术所替代），系统首先对蓄电池进行充电，然后根据需要将系统用作并网或者经逆变后独立使用，系统工作时间和并网功率大小可以人为设定。当电网断电或者故障时，逆变器自动切断和电网的电气连接，同时可以根据需要选择是否进行独立逆变，用以对本地负载继续供电。

4 并网发电系统的分类

逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。电压型逆变电路也可并联大电容，相当电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电流起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。

电流型逆变电路直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻态。电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通途径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。

5 系统的控制策略

并网系统的主要控制策略在光伏并网系统的控制策略方面，现有的控制方法有滞环电流控制、双环控制、空间矢量PWM控制（SVPWM控制）、定时比较控制、无差拍控制和重复控制等等。

（1）滞环控制方式：图1-3所示为采用滞环比较器的瞬时值比较方式原理图

并网电流滞环控制是将与电网电压同步的指令电流iref和实际送入电网的电流i相比较，把差送人滞环比较器。滞环比较器的环宽为2Ai，其中△i为设定的最大电流偏移。当i超过iref且偏移达到△i时，滞环比较器将控制上下桥臂开通和关断，使变压器原边电压正负交替变化。从而迫使逆变器输出电流不断跟踪给定电流的波形，仅在允许偏差范围内稍有波动。

采用滞环电流控制的优点是实时控制，电流响应快，不用载波，输出电压、电流波形中不含特定次谐波，动态性能好，电流跟踪误差范围固定。但其缺点是电力半导体器件的开关频率不固定，同时增加了滤波器设计的难度，可能会引起间接的谐波干扰。当环宽过大时，开关动作频率降低，跟踪误差增大；环宽过窄时，跟踪误差减小，但开关的动作频率过高，开关损耗增大，甚至会超过可关断器件的允许工作频率范围，导致电路无法正常工作。

（2）三角波比较法SPWM电流控制原理是将指令电流与并网电流的实时值进行比较，两者的差值经PI调节与三角波比较，输出PWM信号。

该控制方案的主要特点是固定的开关频率具有算法简便，物理意义清晰实现方便等优点，因而网侧变压器及滤波电感设计容易，并且有利于限制功率器件的开关损耗。但其缺点是跟随误差较大，软硬相对复杂，在开关频率不够高的情况下，电流响应仍相对较慢，且电流动态偏差随着电流变化率的变化而变化。

（3）定时比较控制定时比较控制是利用一个定时控制的比较器，每个时钟周期对电流误差判断一次，发出相应的PWM信号，需要至少一个时钟周期才会变化一次，器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半，采用定时比较控制的优点，开关频率固定，减少功率开关器件的损耗，增加使用寿命。但其缺点是，电流跟随误差是不固定的，在参考电流变化较快的地方，跟踪效果不好，载波较低时，电流误差较大。

（4）无差拍控制60年代初美国著名的控制理论专家卡尔曼提出了无差拍控制思想，它是一种基于微处理器实现的PWM控制方案，在80年代中期被应用于逆变器控制无差拍控制是根据逆变系统（包括滤波器）的状态方程和下一个采样时刻的参考正弦波推算出下一采样周期的开关时间，因此在理论上从第二个采样周期起，输出电压波形就应该很好地跟踪参考正弦波。目前经常使用的无差拍控制方法有以下几种：阻性负载型无差拍控制；采用干扰预测型观测器的无差拍控制；以参数辨识为基础的无差拍控制。

（5）双环控制是采用电压、电流环控制来实现直流电压的稳定和调节并网电流的幅值。双环控制具有固定的开关频率，易于系统的设计，但在开关频率不够高的情况下，电流动态响应相对较慢，并且电流动态偏差随着电流变化率的变化作相应的变化。

6 结束语

逆变器并网技术是光伏并网发电系统的关键技术，研究逆变器的并网控制具有重大意义和重要的应用前景。

参考文献

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