光伏并網系統最大功率追蹤控制

車永亮,孟　濤,趙金陽

(1.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012; 2.國網吉林省電力有限公司 電力科學研究院,長春 130021;

3.遼寧省電力有限公司撫順供電公司,遼寧 撫順 113008)

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·能源與動力工程·

光伏并網系統最大功率追蹤控制

車永亮1,孟濤2,趙金陽3

(1.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012; 2.國網吉林省電力有限公司 電力科學研究院,長春 130021;

3.遼寧省電力有限公司撫順供電公司,遼寧 撫順 113008)

為保證光伏陣列輸出功率穩定運行在最優狀態,降低光伏大規模并網運行成本,建立了光伏陣列數學模型,探討了光伏陣列輸出特性,并提出一種改進電壓擾動法,使光伏陣列穩定運行于最優點。采用光伏并網發電協調控制策略,即采用功率外環和電流內環雙環協調控制,實現了光伏陣列向電網最優輸出。PSCAD/EMTDC電力仿真軟件的仿真結果也驗證了該電壓擾動法和光伏并網發電協調控制策略的有效性。

光伏;建模;并網;最大功率追蹤

太陽能光伏輸出功率受光照強度、環境溫度以及輸出電壓影響較大,導致功率輸出效率低,增加運行成本[1-3],因此保證光伏時刻工作在最大功率狀態是國內外學者積極探索研究的目標。

針對光伏最大功率追蹤的研究,文獻[4]提出一種改進的自適應占空比擾動法,保證光伏快速、穩定、準確地跟蹤上最大功率點;文獻[5]采用自適應滑模觀測器,實現光伏電池實時、精確追蹤功率最優電壓點;文獻[6]針對不同光照強度、不同負載及內部參數變化對光伏輸出特性進行了研究,得出光伏輸出功率特性呈非線性且功率最優點只有一個;文獻[7]基于滑模控制技術實現功率最大點的實時跟蹤,采用交錯Boost結構減小功率輸出波紋;文獻[8]基于Newton-Raphson算法提出一種dq軸解耦與網側逆變器相結合的控制方法,并研發一臺模擬光伏并網采樣機。本文在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建了光伏并網系統模型,基于電壓擾動法實現光伏最優功率點準確追蹤,并通過仿真結果驗證了光伏并網系統模型及控制策略的有效性。

1　光伏陣列建模及分析

光伏陣列溫度為

Tc=Ta+tc·G

式中:Tc為光伏陣列溫度；Ta為環境溫度；G為太陽照射強度。

光伏陣列V-I方程為[9]

其中

式中:Um和Im分別為最大功率點對應電壓和電流;Uoc和Ipvsc分別為開路電壓和短路電流;a與b分別為給定輻射強度下的電流溫度變化系數和電壓溫度變化系數;Np與Ns分別為光伏陣列中組件的并聯數和串聯數;tc為溫度變化系數;Rs為組件的串聯電阻。

光伏陣列輸出功率為

P=IV(1-Kl)

式中:P光伏陣列輸出功率,Kl為光伏組件串并聯損耗系數。

基于不同太陽光照強度,光伏陣列I-V和P-V特性曲線如圖1所示。由圖1可知:I-V曲線在最大功率點附近是高度非線性的,并且短路電流與太陽光照強度呈顯著正相關,開路電壓并無明顯變化;P-V曲線表明,隨著太陽輻射強度的增大光伏輸出功率相應增加,故光伏陣列輸出最大功率跟蹤可通過擾動光伏陣列端電壓來實現。

圖1　不同光照強度下光伏陣列I-V和P-V特性曲線

為了適應太陽輻射強度的快速變化,本文提出基于功率變化率改進電壓擾動法,進行最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)。改進電壓擾動法算法流程如圖2所示。

結合本次測量的電壓V(k)與電流I(k)和上次測量記錄的電壓V(k-1)和電流I(k-1),計算可得到功率變化率dP。如果dP<ε1,則認為功率輸出不變,無需電壓擾動;否則,再進行判斷dP是否大于功率變化率最大值ε2,若是,則對dP進行修正,然后按變步長的功率變化率進行電壓擾動。

圖2　改進電壓擾動法算法流程圖

2　光伏并網發電系統控制策略

光伏并網發電協調控制如圖3所示。光伏并網發電系統可分為兩個聯系密切的子系統:光伏控制系統與并網逆變控制系統。光伏控制系統中:UPV和UPVm分別為光伏控制系統中端電壓和最大功率點對應的端電壓;IPV和DPV分別為光伏控制系統中電感電流與DC-DC變流器的控制信號。并網控制系統中:md和mq分別為并網系統中dq軸坐標下d軸控制信號和q軸控制信號;Id和Idref分別為d軸電流矢量的實際值與參考值;Iq和Iqref為q軸電流矢量的實際值與參考值;Udc和Udcref分別為直流電壓的實際值與參考值;Ud分別為網側電壓在d軸分量;L為dq軸濾波電感;W為電氣角速度;Qref為并網控制系統無功功率參考值;La、Lb、Lc,Ia、Ib、Ic和Ua、Ub、Uc分別為網側abc三相交流系統中電感、電流和電壓;S1-S6為網側變流器IGBT脈沖信號。

PV單元中:通過改進的電導增量法鎖定最大功率點電壓參考值UPVm,UPV與UPVm采用電壓外環控制,快速穩定實現光伏最大功率的輸出。DC/AC并網單元中:應用鎖相環(Phase Locked Loops,PLL)測量技術,保證同步旋轉參考坐標系d軸與電壓矢量方向重合,于是有ud=U,uq=0,實現dq軸解耦控制。d軸采用雙環控制確保直流母線電壓平穩,其中Udc和Udcref作為電壓外環,Id和Idref作為電流內環。q軸采用電流內環控制,快速穩定追蹤上無功功率參考Qref(根據實際運行情況設定,一般設為0)。

光伏并網發電系統的協調控制策略,保證了上網功率最優利用了光能(即實現了光伏的MPPT控制),穩定了直流母線電壓,平滑了上網功率,保證了系統的電能品質。

3　算例分析

基于PSCAD/EMTDC仿真平臺建立額定容量為0.5 MW的光伏系統仿真模型,光伏發電系統參數設置如表1所示。

表1　光伏并網系統參數

圖3　光伏并網發電協調控制圖

太陽輻射強度初始值為800 W/m2,最優輸出功率約為24.5 kW,仿真運行到4 s時,太陽輻射強度躍升到1000 W/m2,最優輸出功率約為49.5 kW。具體變化情況如圖4所示。

圖4　光照強度及輸出功率變化曲線

由圖4分析可知,當太陽輻射強度發生階躍性變化時,功率控制器的有功、無功功率實際值跟蹤其參考值的速度較快約10 ms,無穩態跟蹤誤差,魯棒性較好。

光照強度發生階躍變化時,光伏出力、端電壓及電感電流跟蹤情況如圖5所示。

圖5　光伏功率、端電壓及端電流跟蹤情況

由圖5分析可知,4 s時,光照強度發生階躍性變化,光伏出力、端電壓及電感電流實際值快速穩定地跟蹤上了參考值,且三者趨勢一致,驗證了光伏最大功率追蹤控制策略的有效性。

4 s時光照強度發生階躍變化時,直流母線電壓動態響應情況如圖6所示。

圖6　直流母線電壓跟蹤情況

由圖6可知,光照強度發生階躍性變化時,直流母線電壓幾乎無波動,跟蹤速度快,魯棒性較強。

基于光伏控制單元和并網逆變器控制單元的網側有功功率和無功功率輸出情況如圖7所示。

圖7　網側有功功率、無功功率及dq軸電流跟蹤情況

由圖7可知:注入電網的功率與光伏最優輸出功率一致,0～4 s上網功率約為24.5 kW,4～8 s上網功率約為49.5 kW;網側無功功率的實際值與參考值一致,為0 kvar。dq軸電流的變化跟蹤趨勢與有功功率和無功功率變化趨勢相同,且有功功率、無功功率、dq軸電流的實際值跟蹤參考值速度較快,無穩態誤差,魯棒性較強。

4　結　語

本文建立了光伏數學模型,基于在光伏運行最優點I-V處于高度非線性,提出了一種改進的電壓擾動法,保證光伏穩定且迅速追蹤上最優點;采用電壓擾動法與網側功率外環電流內環雙環控制實現了最優功率注入電網;PSCAD/EMTDC中的仿真結果驗證了本文提出的光伏并網系統控制方法的有效性。

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(責任編輯侯世春)

MPPT control of grid-connected PV system

CHE Yongliang1, MENG Tao2, ZHAO Jinyang3

(1.School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China; 2.Electric Power Research Institute, State Grid Jilin Electric Power Co., Ltd., Changchun 130021, China; 3.Electric Power Company of Fushun, Fushun 113008, China)

To ensure PV running at the optimal state, and to reduce the operation cost of large-scale PV connected to grid, this paper established the model of PV array, discussed the characteristics of PV array, and proposed the improved voltage perturbation method, which can keep PV running stably at the optimal state. It is a method that at the same time adopts the coordinate control strategy, which uses power outer loop and current inner control, to realize the PV array optimal power output to grid. In the PSCAD, the simulation results show that the control strategy of grid-connected PV is effective.

PV; modeling; grid-connected; MPPT

2015-12-20;

2016-03-03。

車永亮(1986—),男，碩士研究生，主要研究方向為光伏并網及控制策略研究。

TM615.2

A

2095-6843(2016)03-0270-05