趙春柳，孫成正

安徽財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院云桂信息學(xué)院，合肥，230601

單級(jí)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究

趙春柳，孫成正

安徽財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院云桂信息學(xué)院，合肥，230601

針對(duì)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)逆變器普遍采用的兩級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在控制算法復(fù)雜，效率相對(duì)較低的缺點(diǎn)，提出了單級(jí)式光伏三相電壓型并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)MPPT跟蹤采用定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法，采用基于電網(wǎng)電壓定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的矢量控制，可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立控制。通過PSIM建模仿真，結(jié)果表明：擾動(dòng)觀測(cè)法MPPT以及基于電網(wǎng)電壓定向的三相并網(wǎng)逆變器矢量控制的有效性，并且具有控制算法簡(jiǎn)單、系統(tǒng)效率高的優(yōu)點(diǎn)。

MPPT；擾動(dòng)觀測(cè)；電網(wǎng)電壓定向；逆變器

1 問題的提出

隨著化石能源的逐漸枯竭，發(fā)展可再生能源已成為解決世界能源問題的重要途徑?？紤]到能源利用中的環(huán)境因素和開發(fā)潛力，太陽(yáng)能成為諸多可再生能源中最具發(fā)展前景的能源之一。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電有離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩種，在并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，以最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)(Maximum Power Point Tracking，MPPT)和逆變器并網(wǎng)控制技術(shù)為核心。目前，通用的光伏并網(wǎng)逆變器采用Boost變換器與三相電壓型逆變器的兩級(jí)結(jié)構(gòu)，為增大逆變器的功率或增強(qiáng)輸入直流電壓的適應(yīng)范圍，往往采用兩路或多路互補(bǔ)的Boost變換器以及在Boost變換器基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加旁路二極管[1-3]。這種兩級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然具有直流輸入電壓范圍廣、可控中間直流換電壓、并網(wǎng)電流諧波含量少等優(yōu)點(diǎn)，但由于將并網(wǎng)逆變與MPPT獨(dú)立控制以及多路Boost互補(bǔ)變換器的結(jié)構(gòu)，使得控制算法復(fù)雜。

本文提出光伏并網(wǎng)逆變器的單級(jí)式結(jié)構(gòu)，其中逆變器在實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功能的同時(shí)可對(duì)光伏陣列進(jìn)行MPPT跟蹤，以擾動(dòng)觀測(cè)法(Perturbation and Observation method，P&O)MPPT算法，以基于電網(wǎng)電壓矢量定向(Voltage Oriet Vector Control，VOC)的矢量控制為基礎(chǔ)，討論單級(jí)式三相光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略。

2 單級(jí)式三相光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)

單級(jí)式三相光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，逆變器結(jié)構(gòu)為電壓型三相全橋結(jié)構(gòu)，逆變器通過電感與電網(wǎng)耦合[1-3]。

3 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)

最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)是高效光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，提高M(jìn)PPT技術(shù)是光伏發(fā)電逆變器應(yīng)用過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

圖1 單級(jí)式三相光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前，MPPT技術(shù)有開環(huán)和閉環(huán)兩大類[3-6]。開環(huán)MPPT基于太陽(yáng)能電池板的輸出特性主要有定電壓跟蹤法(ConstantVoltageTracking，CVT)和短路電流比例系數(shù)法，閉環(huán)MPPT主要有擾動(dòng)觀測(cè)法和電導(dǎo)增量法(IncrementalConductance，INC)。開環(huán)MPPT由于基于太陽(yáng)能電池板的輸出特性，控制精度受外界環(huán)境如輻照度，尤其溫度的影響較大。P&O、INC由于采用閉環(huán)控制，基本克服了溫度的影響，但是P&O存在工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近振蕩的缺點(diǎn)；INC對(duì)控制器的電壓初始化參數(shù)優(yōu)化選擇的問題，若參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，可能會(huì)產(chǎn)生較大的功率損失。

本文采用定步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀測(cè)法(P&O)實(shí)現(xiàn)MPPT跟蹤，其算法流程如圖2所示。

圖2 擾動(dòng)觀測(cè)法的流程圖

4 基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制

4.1 同步坐標(biāo)系下單級(jí)式并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型

圖1所示的單級(jí)式并網(wǎng)逆變器可簡(jiǎn)化為如圖3的結(jié)構(gòu)[3]。

在三相靜止abc坐標(biāo)系下，并網(wǎng)逆變器的電壓方程為：

(1)

(2)

圖3 單級(jí)式三相光伏并網(wǎng)簡(jiǎn)化主電路圖

(3)

在零初始狀態(tài)下，對(duì)式(3)進(jìn)行拉氏變換，可得到在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下并網(wǎng)逆變器頻域的數(shù)學(xué)模型

圖4 系統(tǒng)在同步坐標(biāo)系下的模型

(4)

與式(4)相對(duì)應(yīng)的模型結(jié)構(gòu)如圖4所示[7]。

在dq坐標(biāo)系中，并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型在d、q軸間存在耦合，常采用前饋解耦策略，解耦后的模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 前饋解耦原理

4.2 基于電網(wǎng)電壓矢量定向的逆變器矢量控制

若同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與電網(wǎng)電壓矢量E同步旋轉(zhuǎn)，且同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與電網(wǎng)電壓矢量E重合，則稱該同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為基于電網(wǎng)電壓矢量定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。而基于電網(wǎng)電壓定向的并網(wǎng)逆變器輸出電流矢量圖如圖6所示。

圖6 電網(wǎng)電壓定向矢量控制(VOC)系統(tǒng)矢量圖

(5)

由于基于電網(wǎng)電壓定向，eq=0，則式(5)可簡(jiǎn)化為：

(6)

若不考慮電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，即ed為一定值，且不考慮逆變器的損耗，由式(6)表示的并網(wǎng)逆變器的瞬時(shí)有功功率p和無(wú)功功率q僅與并網(wǎng)逆變器輸出電流的d、q軸分量id、iq成正比。如果電網(wǎng)電壓不變，則通過id、iq的控制就可以分別控制并網(wǎng)逆變器的有功功率、無(wú)功功率。

基于電網(wǎng)電壓定向的并網(wǎng)逆變器的控制結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制系統(tǒng)示意圖

5 仿真分析

圖8 PSIM中DLL模塊

單級(jí)式三相光伏并網(wǎng)逆變器仿真時(shí)，主要分析擾動(dòng)觀測(cè)法MPPT以及基于電網(wǎng)電壓定向的并網(wǎng)逆變器的控制策略的有效性，直流側(cè)電容、交流側(cè)耦合電感、開關(guān)管(IGBT)均采用理想器件模型，且參數(shù)選擇電容為2200μF、電感為10mH。其他參數(shù)分別為：仿真步長(zhǎng)10-5s，IGBT開關(guān)頻率為10kHz，采樣頻率為2kHz，P&O電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)為0.05V。仿真設(shè)定環(huán)境溫度為25℃，0～3.5s間太陽(yáng)輻照度為1000W/m2，3.5s時(shí)降為600W/m2，通過太陽(yáng)輻照度的改變來驗(yàn)證P&O的MPPT技術(shù)的有效性。

P&O算法借助VisualC++編程生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件及PSIM的DLL模塊實(shí)現(xiàn)，PSIM的DLL模塊如圖8所示。

圖9為在太陽(yáng)輻照度變化時(shí)，光伏逆變器輸出功率跟隨太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)的波形圖，由圖9可以看出，P&O可以高效地跟蹤太陽(yáng)能電池板的最大功率點(diǎn)。

圖10為在太陽(yáng)輻照度由1000W/m2降為600W/m2時(shí)，逆變器網(wǎng)測(cè)輸出電流與電網(wǎng)電壓波形圖。從圖10可以看出，當(dāng)太陽(yáng)輻照度發(fā)生變化時(shí)，逆變器輸出電流能快速改變網(wǎng)測(cè)電流，調(diào)整逆變器的輸出功率，跟隨太陽(yáng)能電池板的最大功率；同時(shí)逆變器可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)狀態(tài)運(yùn)行。

圖9 太陽(yáng)輻照度變化時(shí)P&O跟蹤太陽(yáng)能電池板最大功率波形圖

圖10 逆變器網(wǎng)測(cè)輸出電流與電網(wǎng)電壓波形圖

6 結(jié) 語(yǔ)

本文以單級(jí)式三相光伏逆變器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，討論了P&O的MPPT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法及基于電網(wǎng)電壓矢量定向的逆變器的矢量控制策略。通過仿真驗(yàn)證了其可行性，對(duì)光伏逆變器的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

單級(jí)式三相光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)由于沒有DC-DC變換中間環(huán)節(jié)，具有控制策略相對(duì)簡(jiǎn)單、變換效率高等優(yōu)點(diǎn)，但也具有一些缺點(diǎn)：將并網(wǎng)逆變控制與MPPT算法結(jié)合在一起，存在直流側(cè)電壓在MPPT跟蹤過程中出現(xiàn)波動(dòng)，造成逆變器并網(wǎng)電流諧波含量相對(duì)較高；由于采用電感與電網(wǎng)耦合，不能實(shí)現(xiàn)PV與電網(wǎng)的隔離。本文MPPT算法只采用基本的定步長(zhǎng)的P&O法，會(huì)出現(xiàn)MPPT控制振蕩現(xiàn)象，今后應(yīng)在MPPT算法方面進(jìn)行優(yōu)化，減小MPPT振蕩，提高跟蹤效率，加強(qiáng)適應(yīng)于陰影遮蔽下的MPPT算法的研究。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.01.029

2016-11-12

安徽省教育廳高等學(xué)校自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“基于局部影音遮蔽下光伏陣列及多峰值MPPT算法研究”(KJ2014A007)。

趙春柳(1979-)，安徽懷遠(yuǎn)人，碩士，副教授，研究方向：可再生能源及分布式發(fā)電。

TM464，TM615

A

1673-2006(2017)01-0108-04