1、Telecom Power Technology 47 Aug.25,2023,Vol.40 No.16 2023 年 8 月 25 日第 40 卷第 16 期设计应用技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.16.014分布式风光互补并网逆变器的控制系统设计与切换策略研究李丽晶，王小建（石家庄信息工程职业学院，河北 石家庄 052161）摘要：为保证西部偏远地区的日常供电，依托当地的太阳能和风能等自然资源，利用风力发电机、光伏电池板、储能蓄电池组以及Boost升压基波电路闭环的比例积分（Proportional Integral，PI）控制模块，构建风光互补自动发电系统，实现风能
2、、太阳能等能源发电的切换。针对风力发电系统电路的并联要求，基于双闭环 PI 控制电路，增加风机双闭环 PI 控制系统、并网逆变器、切换控制模块等结构，设置风电控制系统的切换阈值和切换条件，及时切换与转换风力发电系统的风机转速和太阳能发电系统的光照信号，探讨并网逆变器双闭环PI控制电路的电流幅值和频率变化状况，以提高控制结构切换、电网电流频率与幅值的稳定性。关键词：分布式风光互补；并网逆变器；控制系统；切换策略Research on Control System Design and Switching Strategy of Distributed Wind Solar Complementa
3、ry Grid-Tie InverterLI Lijing,WANG Xiaojian(Shijiazhuang Information Engineering Vocational College,Shijiazhuang 052161,China)Abstract:To ensure the daily power supply level in remote areas in the western region,it is usually based on local natural resources such as solar energy and wind energy,util
4、izing wind turbines,photovoltaic panels,energy storage batteries,and the Proportional Integral(PI)control module of the boost fundamental circuit closed-loop to build a wind solar complementary automatic power generation system,thereby achieving the switching function of energy generation such as wi
5、nd and solar energy.According to the parallel connection requirements of the wind power generation system circuit,based on the double closed loop PI control circuit,the structure of the wind turbine double closed loop PI control system,grid-tie inverter,switching control module and other structures
6、are added,the switching threshold and switching conditions of the wind power control system are set,the wind turbine speed of the wind power generation system and the light signal of the solar power generation system are switched and converted in time,and the current amplitude and frequency changes
7、of the grid-tie inverter double closed loop PI control circuit are discussed,to improve the stability of control structure switching and grid current frequency and amplitude.Keywords:distributed wind solar complementary;grid-tie inverter;control system;switching strategy0引言我国西北地区风能和太阳能具有季节互补性。根据不同时间
8、段可再生清洁能源的变化情况，设置风光互补的能源发电控制系统，成为西北地区发电、电能控制与利用的重要手段。分布式风光互补并网逆变器的发电控制系统，在不同时段采用风力发电机转速-电流双闭环和 Boost 基波电压-并网电流双闭环，结合并网逆变器、切换控制器、开关组等组成模块，控制不同系统的外环风机转速、内环电流以及电压反馈值等参数，从而合理完成系统风电与光电的储能和用电匹配工作。1分布式风光互补并网自动发电系统的设计1.1光伏电池板的发电模型分布式光伏发电又称分散式发电或供能，是在距离用电现场和普通用户较近的空间位置配置光伏发电的供电系统，包括太阳能电池阵列、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流/直流（
9、Direct Current/Direct Current，DC/DC）转换器、并网逆变器、变压器以及交流配电柜等基本设备，同时配置温度仪、辐射仪、监控采集器等系统监控装置，用于太阳辐射下光能和电能的转换与传输控制。光伏电池板的发电模型结构，如图 1 所示1。太阳能电池阵列 太阳能电池阵列 太阳能电池阵列汇流箱辐射仪温度仪汇流箱逆变器监控数据采集器远程计算机DC/DC直流转换器升压系统高压电网汇流箱图 1光伏电池板的发电模型结构在太阳光充足的时间段，太阳能电池阵列组件会吸收光能，并将光能转换为电能输出，经直流汇流收稿日期：2023-06-25作者简介：李丽晶（1986），女，河北石家庄人，硕士
10、研究生，讲师，主要研究方向为电气自动化。2023 年 8 月 25 日第 40 卷第 16 期Aug.25,2023,Vol.40 No.16Telecom Power Technology 48 箱，集中传送至 DC/DC 转换器。DC/DC 转换器通过多种信号变换控制直流电传输与输出，随后由并网逆变器将直流电逆变为交流电，为建筑用电现场和普通用户提供电能，多余的电能则联入电网进行调节2。为保证太阳能光伏电池阵列系统的发电效率，利用基于电导增量的最大功率点追踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制方法，将光伏电池阵列输出功率与输出电压比值|dP/dU|作为
11、步长的变化系数，则 k 时刻的采样值为 k|dP/dU|。当|dP/dU|=0时，表明在 k 时刻光伏电池的工作点已达到最大功率点，即 Uref(k+1)=Uref(k)。此时，DC/DC 变换器作为直流电转换电路，能够监测太阳能发电的最大功率输出点，然后由可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和锁相环（Phase Locked Loop，PLL）软件执行程序发送脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）波、正弦脉宽调制（Sine Pulse Width Modulation，SPWM）波脉冲信号，控制可驱动逆变器的开关
12、通断，并调整 DC/DC 变换器电路内的开关电源占空比。1.2风力发电机的发电模型风力发电机组的直流电压和电流输出端分别连接 DC/DC 变换器和电压转换单元的输入端，然后与并网逆变器、箱式变压器、储能单元等模块结构形成连接，从而完成某场景的用户用电负载的自动调节3。主控单元中央处理器（Central Processing Unit，CPU）不仅通过 PWM 波控制模块与并网逆变器、箱式变压器连接，而且接入霍尔传感器，用于采集风力发电机组的温度数据和转速数据。根据空气动力学原理，假设风力发电机组转速的机械功率为 Pm，机械转矩为 Tm，模型的计算公式为()53p23mp353pmm31,222
13、R CPR v CR CPTRv=（1）式中：v 为自然界空气风速；为风力机转速；为空气密度；R 为风轮半径；为桨距角；为风机叶片尖端的叶尖速比；Cp为风能利用系数。在桨距角 固定的情况下，随着风力机转速 和叶尖速比 等的参数变化，风能利用系数 Cp会随之发生变化。当风轮叶片尖端线速度和风速比值为 opt时，表明风能利用系数 Cp达到最优，即 Cp=Cp-max，得到风力发电机组转速的最大功率为()53p-max23mp-max3opt1,2R CPR v C=（2）2分布式风光互补并网逆变器的控制系统设计2.1分布式风光互补并网系统的双闭环 PI 控制结构风光互补发电系统是在电流内环和电压外
14、环控制器的双闭环比例积分（Proportional Integral，PI）控制结构基础上，增加风力发电机的并网逆变器装置，用于真实反映风力发电中电压和电流控制信号的变化4。分布式风光互补并网系统的双闭环PI控制结构，如图 2 所示。双闭环PI控制系统蓄电池组提供DC/DC电压DCDC光伏发电系统风机发电系统风力发电机匹配设备切换模块逆变器开关组PLL锁定并网电流相位和频率电流及其交流负载电网提供风机转速、转速电流决定控制方式图 2分布式风光互补并网系统的双闭环 PI 控制结构内环并网电流通过派克坐标变换方式，将转子运行的 a、b、c 三相电流值投影并输出到风力发电机转子的 d 轴和 q 轴，
15、并跟踪 Id和 Iq的参考值。该过程中，d 轴和 q 轴电流受到并网逆变器交流输出 d 轴分量电压、q 轴分量电压、电网电压 Es、电流交叉耦合项 LId以及 LIq的影响。为消除电网电压扰动和电流耦合扰动情况，借助 PI 电流调节器，采用前馈解耦控制方式，引入电流状态反馈和电网电压前馈分别跟踪 Id、Iq的参考值和 Ud、Uq的参考值，产生与控制目标相对应的 d 轴和 q 轴电流实现电流解耦控制，具体的计算公式为()()*dddqsIP*qqqdIP11SIIULIEKKSIIULIKK=+=+（3）式中：Ud*、Uq*分别为并网逆变器交流输出 d 轴、q轴的分量电压的参考值；Id*、Iq*
16、分别为并网逆变器网侧有功电流和无功电流的参考值；KI、KP分别为电压过流和过载。风机发电系统的双闭环 PI 控制是利用霍尔传感器、功率信号反馈法追踪风机发电机外环的转速值，反馈得到风机的转速给定值和实时转速值。内环则将风机运行的 a、b、c 三相电流值投影输出，得到 d 轴 2023 年 8 月 25 日第 40 卷第 16 期 49 Telecom Power TechnologyAug.25,2023,Vol.40 No.16 李丽晶，等：分布式风光互补并网逆变器的 控制系统设计与切换策略研究和 q 轴的电压反馈值。在完成内环 d 轴和 q 轴电流、外环 d 轴和 q 轴电压控制计算后，经
17、 PI 控制器进行电流、电压的矢量坐标变换，得到并流逆变器 SPWM驱动控制信号。风机系统双闭环 PI 控制策略的执行流程如图 3 所示。abcabcdpdpiaua,ub,ucww*Iq*Id*=0IdIq+-+-PIPIPISPWMLLibicUqUdUqUd图 3风机发电系统双闭环 PI 控制的执行流程2.2风光互补并网逆变器输出电压的控制方式为获取需要的 SPWM 波脉冲信号，主要选取并网逆变器的电压源输入和电流源输出结构，采用调制法调制输出的电压和电流信号波形5。同时，由SPWM 波脉冲信号的频率决定开关组件的输出基波电压脉冲宽度、脉冲间隔、开关开启/关闭的动态频率以及输出电压频率等
18、参数，由输入电压的正弦波信号 wa决定并网逆变器输出电压的相位和幅值。因此，在并网逆变器输出电压的相位和幅值控制中，设置输入电压的正弦波幅值和载波幅值分别为 WAD和 WED，得到正弦波波形调整的深度 N，即N=WAD/WED（4）当正弦波波形调整深度 N 1 的情况下，开关组件输出基波电压 W 的幅值 WD、逆变的电压幅值Wout的关系为WD=NWout（5）在完成并网逆变器输出的电压幅值和电压频率调整后，通过 PLL 锁相环路锁定并网电压、电流的相位角、幅值以及频率，确定逆变器输出电流反馈相位和电网电压相位角，从而生成与电网电压相位同步的参考电流相位信号，用于风机发电系统参考电流指令的调整
19、，使该指令达到逆变器触发的控制信号条件。3分布式风光互补并网自动发电系统的切换控制策略某地区的太阳光照和风速会受自然天气、时间等外部条件的影响，因此设定风力发电机转速-电流双闭环、Boost 基波电压-并网电流双闭环控制结构的切换阈值以及 2 种发电模式切换的最小触动值，以维持整个系统运转的稳定性6。设置储能蓄电池的荷电状态（State of Charge，SoC）在 10%90%，分布式风光互补自动发电系统的工作模式和切换控制模式如表 1 所示。表 1分布式风光互补自动发电系统的工作模式和切换控制模式工作模式工作环境切换控制模式00无风无光蓄电池作为最大功率点跟踪（Maximum Power
20、 Point Tracking，MPPT）状态的补充10无风有光运用风机转速电流的控制01有风无光并网逆变器电流的控制11有风有光切换至 01 工作模式或者 10 工作模式在不同自然天气环境和时间等条件下，设置 t 时刻分布式风光互补系统受到的光照强度、风力速度分别为 St、vt，那么邻近 t 时刻的 t+i 时刻，系统所受到的光照强度、风力速度分别为 St+i、vt+i，光照与风速的最小临界值分别为 St-min、vt-min。根据表 1 中分布式风光互补并网自动发电系统的 4 种工作模式，探讨在实时工作过程中采取的切换策略。（1）当 St St-min且 vt vt-min时，表示环境中无
21、风无光，这时需要启动蓄电池储能设备，切换工作模式为 01 或 10，给风电机 DC/DC 变换电路中的并网电流或转速电流的控制提供支持，使其不出现欠流情况，同时维持并网逆变器控制信号的正常运作，直至蓄电池荷电状态 SoC 10%时停止放电。（2）当 St St-min且 vt vt-min时，表示外部环境中无风有光，此时采取 Boost 基波电压-并网电流双闭环的控制方式，由太阳能辐射光伏电池板为蓄电池充电至荷电状态 SoC 90%时停止。同时，光电系统按照平均功率向高压电网输送电量，若达不到平均功率，则由蓄电池放电补充。（3）当 St St-min且 vt vt-min时，表示外部环境中有风
22、无光，此时采取风力发电机转速外环-电流内环的双闭环控制方式，由风电机为蓄电池充电至荷电状态 SoC 90%时停止。同时，风电系统按照平均功率向高压电网输送电量，若达不到平均功率，则由蓄电池放电补充。（4）当 St St-min且 vt vt-min时，表示外部环境中有风有光，此时采取 01 工作模式或 10 工作模式，并根据光能、风能发生的现状切换2种工作模式，为蓄电池充电至荷电状态 SoC 90%时停止。同时，分布式风光互补并网发电系统按照平均功率向高压电网输送电量，若有余量，可灵活控制 MPPT 的连通或断开。4结论文章研究了分布式风光互补并网逆变器的控制（下转第 53 页）2023 年
23、8 月 25 日第 40 卷第 16 期 53 Telecom Power TechnologyAug.25,2023,Vol.40 No.16 陈伟球，等：新型数字化风电场 海陆一体集控中心系统设计及应用证的电力专用安全隔离装置。安全区进行有效隔离后，在任意节点安装防病毒软件，并研究应对高级持续性威胁（Advanced Persistent Threat，APT）的手段。管理信息大区Web系统报表系统电力专线实时子网实时控制区非控制区非控制区区外风场生产控制大区功率预测系统区外风场管理信息大区数据转发系统电力企业数据网安全区安全区区内风场生产控制大区安全区风机监控系统功率控制系统综自监控系统
24、其他控制系统电能采集系统功率预测系统电力专线非实时子网报警系统数据分析系统集中监视系统质量管理系统（Quality Management System，QMS）集团生产控制大区安全区安全区图 3安全区逻辑边界对不同生产区内使用的通信手段加以分类和管理。例如，禁止生产控制大区内部的电子邮件服务，禁止控制区内通用的互联网服务等。5结论新型数字化风电场海陆一体化系统实现了统一设备通信数据格式，集成监视、控制、管理及数据分析功能，解决了电站系统繁多的问题。在平台方面，系统采用“三侧”架构，在云服务侧解决技术信息分散等问题；在集中监控侧、场站采集侧解决数据流闭塞的问题；提供 5 类服务，统一监控设备，分
25、析数据，得出报表结论，降低数据分析处理的难度。在软硬件配置方面，均采用合规稳定的系统和设备，保证系统整体架构的统一性、灵活性、兼容性、可维护性以及安全性。文章所设计的“安全分区”和“信道分类”方案能有效保障通信系统的安全性和合法性。参考文献：1 陈金路，张翔宇，郑向远，等.海上风电智能运维关键技术与发展建议 J.海洋开发与管，2023，40（6）：117-128.2 潘天国，王维公，李东起，等.海上风电场智能安全监控平台的设计与应用 J.珠江水运，2023（6）：77-79.3 黄洪钧.基于海上风电场智慧数字化运维研究 J.能源与环境，2022（6）：70-71.4 纪云松，敖立争，刘海南，等
26、.大数据分析在海上风电场中的应用J.船舶工程，2022，44（增刊 1）：93-96.5 姜俊赫.新能源检修中心运行模式研究 J.云南水力发电，2023，39（6）：217-219.系统设计与切换策略。由于风光互补型发电储能组件的发电量和输出功率与当地区域用电现场的用电量之间存在供电和输电的关联关系，利用双闭环 PI 控制电路和 PLL 锁相环路，能够构建分布式风光互补并网逆变器的控制系统，同时利用风电机转速-电流双闭环和 Boost 基波电压-并网电流的双闭环结构，可以控制系统外环电压、内环电流、电压反馈值以及并网逆变器输出电压等参数，有利于发电系统的稳定运行。根据不同自然天气环境和时间条件
27、下的光照风速，调整风光互补自动发电系统的工作模式、切换控制模式，能够合理控制双闭环 PI 电路，达成高效的风光发电与输能目标。参考文献：1 侯志.一种无漏电流非隔离光伏并网逆变器研究 J.电工技术，2020（22）：59-62.2 陈维荣，王璇，李奇.单级光伏并网多逆变器系统并联交互影响分析 J.西南交通大学学报，2020，55（4）：811-819.3 曹学华，杨博.光伏并网逆变器效率测试及分析 J.电力设备管理，2021（5）：139-140.4 孔德泽.光伏并网逆变器的阻抗建模及稳定性分析 J.信息记录材料，2020，21（10）：225-227.5 王武，彭柏龄，张磊，等.基于最小二乘法的光伏并网逆变器校准方法研究 J.自动化应用，2017（3）：96-98.6 崔璐璐，杨剑锋.单级光伏并网逆变器积分滑模控制 J.制造业自动化，2022，44（1）：149-155.（上接第 49 页）
