兩級式三相光伏并網系統分析

付 雪,秦文萍,李冠良

(太原理工大學 電氣與動力工程學院,太原 030024)

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兩級式三相光伏并網系統分析

付 雪,秦文萍,李冠良

(太原理工大學 電氣與動力工程學院,太原 030024)

基于兩級式三相光伏并網發電系統拓撲結構,提出一種最大功率跟蹤控制策略。該控制策略采用電導增量法與比例積分控制(INC-PI)相結合的方式,實現光伏陣列的最大功率點運行；并網逆變器采用基于電網電壓前饋的雙閉環控制策略，實現穩定直流電壓及單位功率因數并網。利用Matlab/Simlink搭建5 kW兩級式三相光伏并網模型,分別針對光照變化及光照恒定兩種情況進行仿真分析,驗證該方法的可行性,并通過實驗驗證所提MPPT策略的正確性。結果表明,該方法能夠準確地實現最大功率點跟蹤,并網逆變器可以實現穩定直流電壓及單位功率因數并網的功能。

兩級式三相光伏;電導增量法;PI控制;并網逆變器

近年來,由于環境污染,溫室效應等問題日益嚴重,清潔能源作為一種非常有潛力的新能源受到很大關注。光伏發電系統是清潔能源的典型應用,因其可以有效減少二氧化碳排放以及化石能源的消耗已成為學術界的研究熱點[1-2]。光伏發電系統分為獨立發電系統和并網發電系統兩種結構,并網發電系統是當前光伏研究的主要方向。按照拓撲結構可分為單極式光伏發電系統和兩極式光伏發電系統,單極式光伏發電系統結構簡單,但在逆變器控制中既要實現最大功率點跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)功能又要實現單位功率因數并網功能,控制結構復雜[3-4],不利于調試;兩極式光伏發電系統采用前級Boost電路后級逆變電路結構實現MPPT和單位功率因數并網控制分離,使得控制結構簡單,易于模塊化實現。目前,大部分的兩級式并網研究多集中在單相并網[5-6],對于三相并網的研究還比較少[7-8]。本文基于兩極式三相光伏并網發電拓撲結構,提出將電導增量法與比例積分調節相結合的方法(INC-PI)實現光伏最大功率點跟蹤;并網逆變器采用電壓外環電流內環控制策略實現穩定直流側電壓和交流側單位功率因數并網的功能,并通過仿真驗證所設計的兩極式三相光伏并網發電系統的正確性和可行性,實驗驗證所提出的MPPT的正確性。

1 兩級式三相光伏并網系統組成

兩級式三相光伏并網系統由光伏陣列(PV array)、光伏出口電容(Cpv)、Boost升壓電路、直流母線電容(Cdc)、電壓源變換器(voltage source convert,VSC)、濾波電感、工頻變壓器以及公共電網組成,如圖1所示。Boost電路采用電導增量法與PI控制相結合的方法(INC-PI)實現光伏最大功率點跟蹤(MPPT)和升壓功能;電壓源變換器(VSC)采用電壓外環電流內環的雙閉環控制,采集直流側電壓,逆變側電流實現穩定直流側電壓和并網逆變功能,工頻變壓器抑制逆變側直流分量并實現升壓并網。

圖1 兩級式三相光伏并網系統拓撲結構Fig.1 Double-stage three-phase grid-connected PV system topological structure

2 最大功率點跟蹤策略

光伏陣列的輸出電壓和電流受到光照強度和溫度等因素影響呈現非線性特征,因此,光伏陣列的輸出功率會隨著光照強度和溫度變化而變化[7]。但是,在一定溫度和光照強度下,光伏陣列的輸出功率只有一個最大點 (maximum power point，MPP).[3]

常見的最大功率點跟蹤控制策略有定電壓跟蹤法(CVT)、擾動觀察法(P&O)[9-10]、電導增量法(INC)[11]和模糊控制[12]等。其中,電導增量法由于其控制精準,且不易出現誤判受到廣泛的研究。

圖2 光伏板P-U曲線Fig.2 P-U curve of photovoltaic panels

在一定光照強度和溫度下,光伏陣列只有一個MPP,且由如圖2的P-U曲線可知,在最大功率點處有

(1)

又

(2)

從而有

(3)

若U≠0,則

(4)

式中:P為光伏系統輸出功率;U為光伏出口處電壓;I為光伏出口處電流。式(4)即在最大功率點所滿足的電導增量形式條件。

圖3 MPPT控制示意圖Fig.3 Control schematic of MPPT

3 并網逆變器控制策略

圖4 并網逆變器控制示意圖Fig.4 Control schematic of grid-connected inverter

光伏并網逆變器的控制目標是要實現直流側電壓穩定和交流側電流與電網電壓的同頻同相功能,因此,采用電壓外環和電流內環控制策略,如圖4所示。Ua，Ub，Uc分別為三相電網電壓瞬時值,Ea，Eb，Ec分別為逆變器交流側出口電壓,Ia，Ib，Ic分別為三相電流瞬時值,Udc為直流側電壓,Vd，Vq分別為旋轉坐標系下三相電網電壓的有功分量和無功分量,Id，Iq分別為旋轉坐標系下三相電流的有功分量和無功分量,L為交流側濾波電感。在靜止坐標系下,根據逆變器兩側電路參數可知,

(5)

定義開關函數為:

則,逆變器交流側出口電壓

(6)

式中，Sa，Sb，Sc分別為abc三相對應的開關函數。

采用abc/dq變換,將電網側的Uabc和Iabc變為Vd，Vq和Id，Iq,由交流變為直流,將電網電壓和電流分解為有功分量和無功分量。設Sd，Sq為旋轉坐標系下的單級性二值邏輯開關函數,Ed，Eq為旋轉坐標系下逆變器出口側電壓,則

(7)

逆變器在旋轉坐標系下數學模型如式(8)。

(8)

式中,ω為系統角頻率。從式(8)中可以看出存在耦合項,因此為分別控制有功分量和無功分量,在電流控制環中添加解耦控制并采用電網電壓前饋環節抑制電網波動影響,如圖5所示。

經過上述分析可知,通過Boost升壓電路得到的直流電壓進入電壓外環控制使得電壓穩定在一定范圍內,防止出現直流電壓崩潰現象,同時得到電流有功分量參考值。將電流無功參考值賦值為0實現最大有功功率傳輸及與電網同頻同相。電流的有功和無功偏差經過電流內環得到調制波信號進入SPWM單元產生觸發脈沖。

圖5 電流控制環Fig.5 Current control link

4 系統仿真與分析

根據上述分析,在Matlab/Simulink R2013a中搭建5 kW光伏并網發電仿真模型,如圖6所示。環境溫度設定為25 ℃,光照強度為1 000 W/m2;Boost電路電感為7 mH,光伏出口電容為100 μF,直流側穩壓電容為4 700 μF,直流側電壓參考值為500 V,交流側線電壓有效值為270 V,電網電壓為25 kV,頻率為50 Hz, 工頻變壓器濾除交流側直流分量,濾波電感為7 mH.

下面就光照恒定和光照突變兩種情況,對兩級式三相光伏并網發電系統分別進行仿真分析。

圖6 兩級式三相光伏并網仿真圖Fig.6 Simulation chart of two-stage three-phase photovoltaic grid-connected system

4.1 光照恒定

圖7 逆變側電流和電網電壓波形Fig.7 Waveform of inverter current and grid voltage

圖8 逆變側電流THDFig.8 Inverter current’s THD

圖9 光伏出口側電壓、電流及輸出功率波形Fig.9 Waveform of voltage,current and power in the export of photovoltaic arrays

圖10 直流側電壓Fig.10 The DC voltage

在光照為1 000 W/m2恒定不變的情況下,對系統進行仿真分析。圖7和圖8表明在光照恒定時,并網側電流與電網電壓基本做到同相位,即實現單位功率因數并網,且電流諧波畸變率小于5%,滿足并網要求。從圖8可以看到Boost電路控制從0.05 s開始啟動,在0.3 s內追蹤到最大功率點并保持恒定，由此實現MPPT功能,驗證了所提出的INC-PI控制策略的正確性和可行性。圖9表明直流側電壓只在啟動階段Boost電路追蹤最大功率點的時間內有波動,當已經達到最大功率傳輸后,直流側電壓能夠保持恒定如圖10所示,證明并網逆變器能夠穩定直流側電壓。

4.2 光照變化

如圖11所示,光照輻射強度在0.5 s時從1 000 W/m2突變到500 W/m2;1.5 s時從500 W/m2突變到1 000 W/m2.逆變側的電壓電流、直流側電壓變化如圖12,圖13所示。

圖11 光照強度Fig.11 Radianc intensity

圖12 逆變側電流和電網電壓波形Fig.12 Waveform of voltage and current of inverter

圖13 直流側電壓Fig.13 The DC voltage

從圖12，13可看出,在光照強度突變時,導致傳輸功率發生變化,從而逆變側電流發生變化,直流側電壓在突變時產生波動,經過0.2 s時間后系統穩定維持直流母線電壓恒定。

5 實驗驗證與分析

為進一步驗證本文所提出的MPPT控制策略的正確性,搭建光伏并網實驗系統。光伏電源采用美國安捷倫E4360A光伏陣列模擬器,主電路拓撲如圖1所示,控制器采用dSPACE-DS1006，采用開關頻率為10 kHz,電感為7 mH,電路電容都為470 μF,電阻為10.2 Ω.太陽光照強度為1 000 W/m2,溫度為25 ℃.實驗采用不同光伏組件參數驗證所提出的MPPT策略的正確性,其中,Um表示最佳工作電壓,Im表示最佳工作電流,Uoc表示開路電壓,Isc表示短路電流。

實驗條件1:Um=21 V,Im=5 A,Uoc=25.6 V,Isc=5.48 A.

實驗結果如圖14所示。VOL代表光伏出口電壓Upv,CUR代表光伏出口電流Ipv,POW代表光伏輸出功率Ppv,由于光伏出口處接有保護二極管,因此,在二極管上會產生0.7 V的電壓,Upv在20 V左右波動,Ipv在5 A左右波動,Ppv為通過示波器計算得到的輸出功率值,可以看出此控制策略可以達到最大功率點。

圖14 實驗1波形Fig.14 Waveforms of experiment 1

實驗條件2:Um=29.5 V,Im=7.97 A,Uoc=37 V,Isc=8.54 A .

實驗結果如圖15所示。光伏出口電壓Upv在28.5 V左右波動,光伏出口電流Ipv在7.97 A左右波動,輸出功率Ppv通過示波器計算得到實際值。通過實驗可以看出光伏系統利用所提出的MPPT策略在實驗條件2時也能夠追蹤到最大功率點,從而,驗證所提出的MPPT控制策略在不同條件下都可以追蹤到最大功率點。

圖15 實驗2波形Fig.15 Waveforms of experiment 2

6 結論

在電導增量法的基礎上提出電導增量法與比例積分控制(INC-PI)相結合的控制策略,利用PI控制的無靜差調節特性實現MPPT,并將其應用于三相兩級式光伏并網發電系統中,通過建立5 kW兩級式三相光伏并網系統仿真模型,驗證在光照穩定和光照突變兩種條件下INC-PI的MPPT控制的穩定性和可靠性及光伏并網系統穩定運行,并通過實驗驗證了在不同光伏組件參數條件下,MPPT控制策略的正確性。

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(編輯：劉笑達)

Analysis of Double-stage Three-phase Photovoltaic Grid-connected System

FU Xue,QIN Wenping,LI Guanliang

(CollegeofElectricalandPowerEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

A kind of control strategy based on double-stage three-phase grid-connected PV system topology is proposed to optimize the maximum power point tracking.The control strategy combines incremental conductance method with proportional-integral controller (INC-PI) to enhance the stability of system.The grid-connected inverter adopes double loop control strategy based on feedforward of grid voltage to stabilize DC voltage and realize unity power factor.A simulation model of 5 kW two-stage three-phase photovoltaic grid connected system is established in Matlab/Simulink environment and analyzed in the cases of illumination variation and constant light to verify the feasibility of the method. The correctness of proposed MPPT strategy is verified by experiment. The results show that this method can achieve the maximum power point tracking accurately, and inverter can stabilize DC voltage and realize unity power factor.

double-stage three-phase;incremental conductance;proportional-integral controller;grid-connected inverter

1007-9432(2016)03-0361-06

2015-10-24

山西省煤基重點科技攻關項目:大規模間歇式新能源并網技術開發(MD2014-06); 山西省留學人員科技活動擇優資助項目

付雪(1990-),男,河北趙縣人，碩士研究生,主要從事新能源并網發電技術研究，(E-mail)kaxikou1990@163.com

秦文萍，教授，主要從事新能源研究，(E-mail)qinwenping@tyut.edu.cn

TM464,TM615,TM914

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.03.016