基于坐標(biāo)變換的單相光伏并網(wǎng)控制策略的研究

臺(tái)流臣，王金梅，蘇婷

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院，寧夏銀川 750021)

基于坐標(biāo)變換的單相光伏并網(wǎng)控制策略的研究

臺(tái)流臣，王金梅，蘇婷

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院，寧夏銀川 750021)

一種單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電控制系統(tǒng)的仿真研究。根據(jù)硅型光伏電池的特性，研究設(shè)計(jì)了光伏電池的仿真模型，該模型可以模擬任意日照和溫度下光伏電池的輸出特性。在最大功率點(diǎn)跟蹤的算法方面，基于傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法的進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種變步長(zhǎng)的跟蹤算法。逆變環(huán)節(jié)采用全橋逆變電路，根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功理論，虛擬出一個(gè)與單相交流電流分量正交的交流量，基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換并利用PI調(diào)節(jié)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變電流的無(wú)靜差并網(wǎng)控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了有功、無(wú)功功率的解耦控制。詳細(xì)分析了所提出的系統(tǒng)的工作原理和控制策略，采用Matlab/Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率點(diǎn)的快速、準(zhǔn)確跟蹤，逆變輸出電流控制精度高、諧波含量低，能實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)發(fā)電。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)；最大功率點(diǎn)跟蹤；增量電導(dǎo)法；坐標(biāo)變換

傳統(tǒng)能源的短缺和環(huán)境污染是當(dāng)今世界面臨的重大問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)具有重要意義。太陽(yáng)能作為可再生能源之一，以其無(wú)噪聲、無(wú)污染、能量普遍等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到重視。太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用必將在21世紀(jì)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，而光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽(yáng)能利用的必然發(fā)展趨勢(shì)，并且光伏發(fā)電在未來(lái)的發(fā)電系統(tǒng)中也將占據(jù)越來(lái)越重要的地位。由于太陽(yáng)能發(fā)電成本較高，近年來(lái)，研究者主要致力于提高光伏系統(tǒng)穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)化效率、降低成本的研究[1-2]。

現(xiàn)在逆變系統(tǒng)的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為單級(jí)式逆變系統(tǒng)和兩級(jí)式逆變系統(tǒng)。單級(jí)式系統(tǒng)效率高，但其控制較為復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用困難。兩級(jí)式系統(tǒng)的效率比單級(jí)式較低，但其最大功率跟蹤和逆變并網(wǎng)控制分別獨(dú)立完成，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，是目前采用較多的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文將以兩級(jí)式結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。

1 硅型光伏電池的建模仿真

1.1 太陽(yáng)電池等效電路

硅型光伏電池是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成，它是將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件。光伏電池的輸出特性與日照強(qiáng)度(W/m2)、電池溫度(℃)以及負(fù)載電壓有關(guān)。根據(jù)電子學(xué)理論，其等效電路模型如圖1所示。

根據(jù)太陽(yáng)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路特性，在不同光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏電池模塊的輸出電流-電壓()以及功率-電壓()具有非線性特性，光伏電池的輸出特性方程為[3]：

圖1 光伏電池等效電路模型

1.2 太陽(yáng)電池的仿真模型

本文選用德國(guó)Siemens公司生產(chǎn)的SP75型號(hào)電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。當(dāng)光強(qiáng)=1 000 W/m2，溫度=25℃時(shí)，Siemens SP75電氣參數(shù)為：oc=21.7 V，sc=4.8 A，m=17.0 V，m=4.4 A，m=75 W。根據(jù)上面光伏電池的電路模型和相關(guān)的電氣參數(shù)，利用Matlab/Simulink建立了光伏電池仿真測(cè)試模型。

1.3 太陽(yáng)電池的溫度特性和光照特性仿真

(1)不同光照條件下光伏電池輸出特性

從圖2特性曲線的測(cè)試結(jié)果得知，日照強(qiáng)度改變時(shí)，其開(kāi)路電壓不會(huì)有太大的改變，但所產(chǎn)生的最大電流會(huì)有相當(dāng)大的變化，所以其輸出功率與最大功率點(diǎn)會(huì)隨之改變，短路電流sc和輸出功率均與光照強(qiáng)度成正比。

圖2 相同溫度不同光照下光伏電池的特性曲線

(2)不同環(huán)境溫度下光伏電池輸出特性

圖3 相同光照不同溫度下光伏電池的特性曲線

2 最大功率點(diǎn)跟蹤的研究

2.1 最大功率點(diǎn)的跟蹤方法

常用的最大功率點(diǎn)的跟蹤方法有：恒定電壓法、增量電導(dǎo)法以及擾動(dòng)觀察法。恒定電壓法算法簡(jiǎn)單但其效率較低。擾動(dòng)觀察法則有在最大功率點(diǎn)附近振蕩的問(wèn)題，造成能量損耗并降低光伏電池的效率，尤其是在氣候條件變化緩慢時(shí)，能量損耗的情況更為嚴(yán)重[4]。鑒于增量電導(dǎo)法的快速性和準(zhǔn)確性，本文在增量電導(dǎo)法上進(jìn)行研究。

2.2 改進(jìn)的增量電導(dǎo)法的算法仿真

傳統(tǒng)增量電導(dǎo)算法步長(zhǎng)固定，步長(zhǎng)過(guò)小，會(huì)使光伏陣列長(zhǎng)時(shí)間滯留在低功率區(qū)域，步長(zhǎng)過(guò)大，又會(huì)加劇系統(tǒng)的振蕩。理想的控制目標(biāo)是：當(dāng)離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，步長(zhǎng)增大，尋優(yōu)速度加快；當(dāng)離最大功率點(diǎn)較近時(shí)，步長(zhǎng)減小，逐漸地逼近最大功率點(diǎn)；當(dāng)其非常接近最大功率點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)就穩(wěn)定在該點(diǎn)工作。改進(jìn)的增量電導(dǎo)算法流程圖如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的增量電導(dǎo)算法流程圖

改進(jìn)算法是在傳統(tǒng)增量電導(dǎo)算法上增加一個(gè)控制單元，利用可變步長(zhǎng)進(jìn)行功率點(diǎn)跟蹤，即當(dāng)工作點(diǎn)1遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)時(shí)，則采用適當(dāng)步長(zhǎng)爭(zhēng)取在最少的執(zhí)行周期內(nèi)把工作點(diǎn)調(diào)整到最大功率點(diǎn)附近。這種算法將使得從1到max的調(diào)整步數(shù)大大減少，從而提高了跟蹤速度，當(dāng)調(diào)整到max附近時(shí)再用小步長(zhǎng)進(jìn)一步跟蹤逼近max。

對(duì)比圖5的仿真結(jié)果可以明顯看出，在0.3 s和0.5 s當(dāng)溫度和光照分別發(fā)生改變時(shí)，改進(jìn)的增量電導(dǎo)算法可實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地跟蹤光伏電池的最大功率，克服了傳統(tǒng)增量電導(dǎo)算法因震蕩問(wèn)題所產(chǎn)生的功率損失，具有較好的跟蹤效果，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的跟蹤效率。

圖5 (a)改進(jìn)前的結(jié)果

3 逆變并網(wǎng)控制策略的研究

逆變環(huán)節(jié)是連接光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其控制目標(biāo)是輸出穩(wěn)定、高質(zhì)量的正弦交流電，并且與電網(wǎng)電壓同頻同相。因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電流控制策略是研究的熱點(diǎn)之一。現(xiàn)有的控制方法有PI控制、空間矢量控制、無(wú)差拍控制、重復(fù)控制等。本文根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功理論，采用基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的PI控制，實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電與功率調(diào)節(jié)的統(tǒng)一控制[6-7]。

圖5 (b)改進(jìn)后的結(jié)果

圖6 基于坐標(biāo)變換的逆變環(huán)節(jié)的控制結(jié)構(gòu)框圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析

根據(jù)以上的控制方案，基于Matlab/Simulink建立了兩級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，光伏陣列輸出直流電壓經(jīng)升壓后為400 V左右，逆變后與220 V/50 Hz交流電網(wǎng)并網(wǎng)。圖7為逆變器輸出并網(wǎng)電流波形和電網(wǎng)電壓波形。圖8為逆變器輸出的無(wú)功功率和有功功率。從仿真結(jié)果可以看出，逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓同頻同相，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)定的控制目標(biāo)。從圖9并網(wǎng)電流頻譜分析結(jié)果可知，基波電流幅值為7 A，電流諧波總畸變率為0.26%。由此得出：當(dāng)直流母線電壓、濾波電感，以及PI參數(shù)選擇合適的情況下，基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的并網(wǎng)電流SPWM跟蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)，不僅能成功實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的控制，還能實(shí)現(xiàn)有功無(wú)功的調(diào)節(jié)。

圖7 逆變輸出的電壓和電流波形

圖8 逆變輸出的功率波形

圖9 逆變輸出電流的諧波含量分析

5 結(jié)論

本文首先分析了硅型光伏電池的等效電路，基于推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建了光伏電池Simulink仿真模型，驗(yàn)證了光伏陣列在不同的光照強(qiáng)度和不同溫度下的光伏輸出特性曲線，與光伏陣列輸出特性曲線基本吻合，具備研究?jī)r(jià)值。在傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用變步長(zhǎng)的最大功率點(diǎn)跟蹤算法，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明改進(jìn)算法具有跟蹤速度快、效率高的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變控制環(huán)節(jié)采用基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的PI控制，實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電與有功無(wú)功調(diào)節(jié)的統(tǒng)一控制，仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方案在穩(wěn)態(tài)情況能有效降低并網(wǎng)電流THD，有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

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Research on control strategy of single-phase photovoltaic grid-connected system based on frame transformation

TAI Liu-chen,WANG Jin-mei,SU Ting

A simulation system for single-phase grid-connected photovoltaic(PV)system was proposed.The electrical model and nonlinear characteristics of the silicon PV cell were analyzed.The Simulink simulation model was built based on the output characteristics of single PV cell.An improved maximum power point tracking(MPPT) method based on the traditional incremental conductance method was simulated and studied.DC-AC link,using the full-bridge inverter circuit,according to the instantaneous reactive power theory,imaginary component was built and processed by Park transformation.The AC component into DC component was changed.The steady-state error of the grid current could be eliminated by the simple PI control.Then the inverter active and reactive power control were allowed.Experimental results show that when the high stability and high efficiency of this modified strategy is applied in single-phase grid-connected PV system,the output current has high control precision,low harmonic and unit power factor operation are realized.

photovoltaic grid-connected system;maximum power point tracking;incremental conductance method; frame transformation

TM 615

A

1002-087 X(2014)02-0286-04

2013-06-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51167015)；寧夏回族自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NZ1152)；國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2011DFA11780)

臺(tái)流臣(1985—)，男，山東省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮雍托履茉窗l(fā)電技術(shù)。

王金梅(1968—)，女，河南省人，博士，教授，主要研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)發(fā)電及微網(wǎng)技術(shù)。E-mail：Wang_jm@nxu.edu.cn