張喜平，梅柏杉，胥杰，丁佐進(jìn)

（上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090）

目前，太陽(yáng)能利用主要有光熱利用、光伏利用和光化學(xué)利用3種形式，其中光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽(yáng)能光伏利用的主要發(fā)展趨勢(shì).我國(guó)在光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)方面的研究經(jīng)過(guò)“十·五”和“十一·五”的國(guó)家科技攻關(guān)，在基本理論和實(shí)用技術(shù)方面已經(jīng)取得可喜成績(jī)，但在并網(wǎng)逆變技術(shù)的細(xì)節(jié)方面，特別是在大型光伏電站的并網(wǎng)方面，還有很多問(wèn)題需要解決.隨著幾個(gè)10 MW以上光伏電站的投入運(yùn)行，我國(guó)大型光伏并網(wǎng)發(fā)電并網(wǎng)設(shè)備的研制工作，特別是有關(guān)并網(wǎng)逆變器的研究得到了進(jìn)一步的深入［1，2］.

本文在此背景下，對(duì)太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的最大功率控制及其核心器件并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了探討，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析.

1 大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)基本原理

1.1 大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是將太陽(yáng)能電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電，并且實(shí)現(xiàn)既向負(fù)載供電，又向電網(wǎng)發(fā)電的系統(tǒng).光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、控制器和繼電保護(hù)裝置組成.光伏陣列是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主要部件，由其將接收到的太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)換為電能.目前工程上應(yīng)用的光伏陣列一般是由一定數(shù)量的晶體硅太陽(yáng)能電池組件按照系統(tǒng)需要的電壓串、并聯(lián)組成的.

隨著電力電子與控制技術(shù)的飛速發(fā)展，光伏電池效率不斷提高，光伏電站的建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大.大規(guī)模的光伏并網(wǎng)電站不可能像目前已投入運(yùn)行的屋頂光伏系統(tǒng)一樣，通過(guò)380 V低壓配電線(xiàn)路直接接入本地配電網(wǎng)，而是要通過(guò)升壓變壓器，以中壓或高壓接入輸電網(wǎng)絡(luò).大型光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 大型光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中，光伏接入電網(wǎng)時(shí)將大量的光伏組件通過(guò)多個(gè)逆變器并聯(lián)以擴(kuò)大容量，其中逆變器的主電路采用兩級(jí)式并網(wǎng)系統(tǒng)，第一級(jí)DC/DC變換將光伏電池陣列所產(chǎn)生的直流電變換成受控的直流電存儲(chǔ)到儲(chǔ)能單元中，或提供給后級(jí)的光伏并網(wǎng)逆變器，第一級(jí)變換同時(shí)要實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池陣列的最大功率跟蹤控制.后級(jí)的光伏并網(wǎng)逆變器將直流母線(xiàn)上的直流電逆變?yōu)榻涣麟姴佀偷诫娋W(wǎng)，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)中間直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)壓功能.兩級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)允許多個(gè)由太陽(yáng)能電池和直流變換器構(gòu)成的支路共用一個(gè)并網(wǎng)逆變器，在實(shí)際應(yīng)用中配置更靈活，將多個(gè)逆變器再并聯(lián)更加適合大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng).

1.2 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型

為了描述電池的工作狀態(tài)，往往將電池及負(fù)載系統(tǒng)用一個(gè)等效電路來(lái)模擬［3，4］.圖2為太陽(yáng)能電池的等效電路.

圖2 光伏電池等效電路示意

由圖2所示的光伏電池的等效電路模型可得：

若忽略太陽(yáng)能電池內(nèi)部的串聯(lián)和并聯(lián)電阻，太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)化模型可表示為：

并聯(lián)的Rsh為旁路電阻，主要由電池表面污濁和半導(dǎo)體晶體缺陷引起的漏電流所對(duì)應(yīng)的PN結(jié)漏泄電阻和電池邊緣的漏泄電阻等組成，由于其阻值較大，所以對(duì)光伏電池的特性影響不大.

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)

2.1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3為兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖.

圖3中，前級(jí)DC/DC是由Boost電路，輸入濾波元件Cs，開(kāi)關(guān)管Tc，二極管D，以及輸出濾波元件Cd組成.而后級(jí)是典型的電壓型三相逆變器.再經(jīng)過(guò)必要的無(wú)功補(bǔ)償與濾波功能并入電網(wǎng).

圖3 兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用兩級(jí)式主電路結(jié)構(gòu)的原因：一是因?yàn)榍昂蠹?jí)可以分開(kāi)獨(dú)立控制，控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單;二是增加系統(tǒng)的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)/獨(dú)立兩種工作模式的切換運(yùn)行;三是光伏電池陣列無(wú)需串聯(lián)到很高的電壓等級(jí)，使得光伏陣列的并聯(lián)擴(kuò)容更加容易.

2.2 DC/DC 最大功率跟蹤控制

在對(duì)兩級(jí)式結(jié)構(gòu)的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，前級(jí)DC/DC變換器可以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制（MPPT），此時(shí)可將后級(jí)DC/AC全橋結(jié)構(gòu)的三相逆變器看作一個(gè)恒定的直流電壓源，因此可以對(duì)前級(jí)Boost電路做如下分析.

假設(shè)Tc是理想開(kāi)關(guān)，根據(jù)電路分析基本原理，可以得到Tc在每一周期開(kāi)、關(guān)兩個(gè)狀態(tài)的電路方程.

式中：eTC=（1－D）×ed（D是占空比，0＜D＜1）.

上述方程中，is的表達(dá)式中含有es，因此方程是非線(xiàn)性的，最大功率點(diǎn)應(yīng)該是該控制的平衡點(diǎn).為簡(jiǎn)化計(jì)算，可在最大功率點(diǎn)處對(duì)方程進(jìn)行線(xiàn)性化處理，即：

在式（10）中，es是狀態(tài)變量，而is不是，當(dāng)L和Cd的值確定后，es的改變主要由eTC的變化決定.因此，調(diào)整eTC的大小可以改變es的值，并使功率改變電壓的微分d Ps/d es.而根據(jù)前面的敘述可知，eTC的大小可以通過(guò)改變占空比D來(lái)控制.因此，在上述條件下太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)可以通過(guò)占空比D來(lái)控制，通過(guò)正確調(diào)整占空比D的大小就能實(shí)現(xiàn)d Ps/d es=0的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能輸出的最大功率控制.

在兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，前級(jí)DC/DC變換器控制部分主要完成太陽(yáng)能電池陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤控制，其控制框圖如圖4所示.

圖4 前級(jí)DC/DC變換器控制示意

對(duì)當(dāng)前太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓和電流值進(jìn)行采樣，并通過(guò)MPPT控制算法找到太陽(yáng)能電池陣列的最佳工作點(diǎn)，然后通過(guò)控制Boost電路中開(kāi)關(guān)管占空比來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作點(diǎn).同時(shí)，為了防止直流母線(xiàn)電壓過(guò)高而損壞主電路的器件，前級(jí)DC/DC變換器還需要設(shè)計(jì)過(guò)電壓保護(hù).從并網(wǎng)工作機(jī)制的能量流向來(lái)看，當(dāng)直流母線(xiàn)電壓過(guò)高時(shí)，對(duì)前級(jí)DC/DC變換器的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)是最直接有效的手段.

因此，需要在控制策略中設(shè)定上限電壓，當(dāng)直流母線(xiàn)電壓幅值超過(guò)設(shè)定的電壓上限值時(shí)，將它們之間的幅值差經(jīng)過(guò)一個(gè)比例環(huán)節(jié)，輸出一個(gè)反方向的調(diào)節(jié)量，調(diào)整控制Boost電路的占空比，最終達(dá)到抑制直流母線(xiàn)電壓的目的.

MPPT控制采用電導(dǎo)增量法，根據(jù)光伏列陣P-V曲線(xiàn)最大值Pmax的斜率為零的特點(diǎn)，利用一階導(dǎo)數(shù)求極值的方法，對(duì)P進(jìn)行求導(dǎo)，則有：

式（14）為光伏陣列達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件，也就是當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量與輸出電導(dǎo)的負(fù)值相等時(shí)，光伏陣列工作在最大功率點(diǎn).電導(dǎo)增量法通過(guò)對(duì)光伏陣列的瞬間電導(dǎo)和電導(dǎo)增量進(jìn)行比較來(lái)改變控制信號(hào)，因此需要對(duì)陣列的電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣.電導(dǎo)增量法控制流程如圖5所示.

圖5 電導(dǎo)增量法控制流程

2.3 DC/AC并網(wǎng)控制策略

在兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于前級(jí)DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)MPPT功能，一般認(rèn)為后級(jí)DC/AC逆變器只需實(shí)現(xiàn)逆變和并網(wǎng)功能即可，但是為了保證逆變器的可靠運(yùn)行，必須穩(wěn)定直流母線(xiàn)電壓.而在進(jìn)行最大功率跟蹤時(shí)前級(jí)DC/DC變換器無(wú)法使輸出電壓維持在一個(gè)恒定值，因此該功能只能由DC/AC逆變器來(lái)完成.其控制框圖如圖6所示.

圖6 后級(jí)DC/AC變換器控制示意

根據(jù)功率平衡原理，當(dāng)太陽(yáng)能電池陣列的輸出功率大于逆變器的輸出功率時(shí)，就是說(shuō)此時(shí)太陽(yáng)能電池陣列發(fā)出的功率沒(méi)能及時(shí)地饋送到電網(wǎng)，則直流母線(xiàn)電容因?yàn)槟芰慷逊e而使電壓升高，此時(shí)就需要增大電流指令，即增加DC/AC逆變器輸出到電網(wǎng)的功率來(lái)消耗直流母線(xiàn)電容中堆積的能量，從而使直流母線(xiàn)的電容電壓下降;反之，就要減少電流指令使直流母線(xiàn)上升，從而達(dá)到穩(wěn)定直流母線(xiàn)電壓的目的.

圖6中，先計(jì)算出直流母線(xiàn)電壓參考值與采樣得到的實(shí)際電壓值的誤差，再通過(guò)一個(gè)比例積分環(huán)節(jié)得到參考電流值Iref;將Iref值與采樣得到的DC/AC逆變器實(shí)際輸出電流值Iout的誤差值通過(guò)一個(gè)電流調(diào)節(jié)器作用后，將輸出信號(hào)與固定頻率的三角波進(jìn)行比較，得到SPWM控制信號(hào)，再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大后去控制DC/AC逆變器的開(kāi)關(guān)管.

需要注意的是，由于前級(jí)DC/DC變換器的控制目的是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池陣列的最大功率跟蹤控制，因而從DC/DC變換器輸出到DC/AC逆變器的功率是隨光強(qiáng)時(shí)刻變化的.為了確保DC/DC變換器輸出的功率能通過(guò)DC/AC逆變器及時(shí)地傳遞到電網(wǎng)而不在直流母線(xiàn)電容上產(chǎn)生能量堆積或能量虧損，就要使DC/AC逆變器控制部分的指令調(diào)節(jié)速度快于DC/DC變換器MPPT跟蹤的調(diào)節(jié)速度.

3 系統(tǒng)并網(wǎng)控制仿真

根據(jù)以上分析，利用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)，前級(jí)DC/DC實(shí)現(xiàn)MPPT功能，后級(jí)DC/AC逆變器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定直流母線(xiàn)電壓與電流源型并網(wǎng)功能控制策略，搭建系統(tǒng)仿真模型如圖7所示.

圖7 兩級(jí)式大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真

圖7中虛線(xiàn)框1表示光伏電池的模型;虛線(xiàn)框2表示光伏兩級(jí)式三相并網(wǎng)逆變器，前級(jí)DC/ DC電路采用電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)MPPT功能，后級(jí)并網(wǎng)逆變器采用直流母線(xiàn)電壓外環(huán)、電流作為內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略;虛線(xiàn)框3表示光伏電源通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償與變壓器接入電網(wǎng).仿真時(shí)間設(shè)定為1 s，在0.08 s時(shí)太陽(yáng)光照強(qiáng)度由2 000 W/m2瞬間降至1 000W/m2，得到的光伏輸出功率、并網(wǎng)時(shí)的單相電流及直流母線(xiàn)電壓如圖8所示.

由圖8可知，當(dāng)光照強(qiáng)度突然減小時(shí)，光伏陣列輸出功率顯著下降，同時(shí)直流母線(xiàn)電壓出現(xiàn)波動(dòng)，并網(wǎng)逆變器調(diào)節(jié)輸出電流，經(jīng)過(guò)電壓環(huán)的調(diào)節(jié)，直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在400 V，并且最終經(jīng)過(guò)0.07 s的調(diào)節(jié)過(guò)程，在0.15 s以后光伏并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)光伏電池陣列穩(wěn)定在新的最大功率點(diǎn)，并網(wǎng)電流幅值小于光照強(qiáng)度變化前的電流幅值，表明前后級(jí)變換器輸入輸出能量達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡.

圖8 大型光伏并網(wǎng)控制仿真結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)大型光伏系統(tǒng)直接并入輸電網(wǎng)的可行性進(jìn)行了探討，并對(duì)太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析.仿真結(jié)果表明，大型光伏電站并入電網(wǎng)技術(shù)上是可行的.這對(duì)今后全國(guó)大型光伏電站的建設(shè)提供了一定的參考價(jià)值.

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（編輯胡小萍）