基于光伏并網的功率控制算法研究

王 鵬

(甘肅交通職業技術學院信息工程系,甘肅 蘭州 730050)

0 引言

近年來,光伏發電受到越來越多企業的關注,作為一種可解決能源危機和減少公共環境污染的有效能源,開始得到了大力發展。光伏并網發電系統通過光伏并網逆變器接入電網,實現了光伏并網發電的功能。光伏發電具有間歇性和容量利用率低的問題。但是光伏并網發電系統與有源電力濾波器(active power filter,APF)拓撲結構和控制方法(電流控制)相似,可以進行統一控制,即光伏并網功率控制系統。在光照充足時,光伏并網系統不僅給本地區供電,并且把多余的電能送入電網。但在電網電能比較差的地區(電網中存在大量的無功和諧波),為了提高這一區域的電能質量,光伏并網功率系統能夠在進行并網發電的情況下補償電網中的諧波和無功。這樣既減少了APF設備的投資成本,又能有效解決并網逆變器利用率較低的問題。

在光伏并網功率控制系統中實現光伏并網與APF的雙重功能,關鍵是電流給定信號的合成與電流信號的跟蹤控制。文獻[1]采用給定信號直接合成的方法,但是沒有考慮系統的容限問題。文獻[2]提出一種負載辨識信號合成的方法。該方法首先判斷負載是重負載還是輕負載,通過判斷負載的性質來執行不同的信號合成算法。這種方法執行比較復雜,影響程序執行的效率。本文提出一種新的電流信號合成算法,能夠根據外界環境調整給定信號,達到切換工作狀態的目的。在電流控制環節加入功率前饋,使直流端功率輸入有較大變化時,逆變器能夠及時調整輸出功率,減小因母線電壓的堆積或者不足而引起的電壓波動[3]。

1 光伏并網功率系統結構原理

光伏并網功率控制系統結構如圖1 所示。其控制結構主要由三個部分組成:光伏電池板模塊、DC/DC升壓電路和逆變器。光伏電池的最大功率點跟蹤算法(maximum power point tracking,MPPT)通過檢測光伏電池的輸出電壓Uin和Iin判斷光伏電池最大功率點,用脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)控制算法控制DC/DC 變換器的占空比來實現光伏電池最大功率點的跟蹤。其中:Cin為光伏電池輸出端口電容;Cdc為直流母線穩壓電容。在后級網側控制器中,將直流母線電壓值與直流母線電壓給定差值進行比例積分(proportional integral,PI)控制算法比較,得到光伏并網電流給定值、基于瞬時無功理論的d-q諧波及無功電流檢測法檢測出諧波給定信號,以及無功給定信號。電流信號合成算法將光伏并網電流給定值諧波給定信號和無功給定信號通過運算得到合成電流信號給定值,再通過電流跟蹤控制算法和正弦波脈寬調制(sine wave pulse width modulation,SVPWM)算法對給定電流信號進行跟蹤控制,實現系統的并網和諧波無功補償功能[4]。

圖1 光伏并網功率控制系統結構圖Fig.1 Structure diagram of the photovoltaic grid power control system

兩級式光伏并網功率控制系統中的升壓電路的控制比單級式控制結構更靈活。前級DC/DC 變換器環節與后級逆變器環節由獨立的算法進行控制,所以系統前后級間耦合不是很緊密,系統控制易于實現和設計。另外,采用有前級DC/DC 變換器的兩級光伏并網功率控制系統,可保證系統在光伏電池陣列輸出電壓盡可能寬的條件下工作,提高了系統中能量的利用效率[5]。

2 諧波、無功電流檢測與并網給定電流信號的合成

光伏并網功率控制系統既能夠進行光伏并網,又能完成諧波和無功補償。這是因為系統控制電流給定信號中包含并網電流給定信號分量、諧波電流給定信號分量和無功給定信號分量。基于瞬時無功理論的諧波與無功電流檢測方法具有快速性和精確性高的優點。并網指令電流信號是通過基于瞬時無功理論[6]的d-q諧波及無功電流檢測法適當改變其結構,使諧波及無功指令電流與光伏并網有功電流合成并網指令電流信號。基于瞬時無功理論d-q法合成的電流通過有功指令電流、諧波電流、無功電流進行疊加。由于光伏發電具有間歇性且電網電能質量狀況是變動的,光伏并網功率控制系統可以工作在以下幾個工作狀態:光伏并網逆變并進行諧波、無功補償;光伏并網逆變并諧波補償;單獨進行光伏并網逆變;當夜晚或者陰雨天氣時,光伏并網功率控制系統可以單獨進行諧波補償或者無功補償。本文研究的光伏并網功率調節系統,通過設置參數達到轉換系統控制模式的目的[7]。

光伏并網功率控制系統給定電流合成結構如圖2所示。

圖2 光伏功率控制系統給定電流合成結構圖Fig.2 The given current composite structure photovoltaic power control system

圖2 中:ia、ib、ic分別為負載電流;K1、K2為瞬時無功理論諧波和無功檢測中引入的選擇器KPV功率前饋比例系數;PLL 為鎖相環。采用離散傅里葉算法(discrete Fourier transform,DFT)計算該電網周期的電網電壓有效值。假設三相負載是非線性負載,則負載電流數學表達式為[8]:

對式(1)進行Clark 變換,得:

將式(1)代入式(2),可得:

在α-β坐標系下的iα和iβ經過T2r/2s變換得到dq坐標系下的有功分量id和無功分量iq,再通過低通濾波器(low pass filter,LPF)得到電流的基波有功分量和無功分量。則電網電流諧波分量和無功分量為:

如圖2 所示,并網電流給定信號為:

通過控制K1、K2,可以實現以下幾個工作狀態[9]。

①當白天陽光充足,電網中有大量的無功和諧波時,系統需要工作在光伏并網逆變且進行諧波無功補償狀態,可設定K1=1、K2=0。此時,由圖2 可知:=0。則系統指令電流信號為:

②當白天陽光充足,電網中有大量的諧波時,系統需要工作在光伏并網逆變且進行諧波補償狀態,可設定K1=1、K2=1。此時=1,則系統指令電流信號為:

③當白天陽光充足、電網中有大量的無功時,系統需要工作在光伏并網逆變且進行無功補償狀態,可設定K1=0、K2=1。此時=1,則系統指令電流信號為:

④當白天陽光充足,電網不需要進行諧波和無功補償時,系統只需要進行光伏并網逆變狀態,可設定K1=0、K2=0。此時=0,則系統指令電流信號為:

3 并網電流控制算法

光伏發電系統并網功率控制系統中,并網電流的有功部分為光伏系統輸出的最大功率。當光照不斷變化時,光伏系統最大功率也隨之發生變化,進而引起直流側功率輸入發生變化。此時,系統響應發生了不穩定變化。針對以上問題,本文提出在電流控制環節加入功率前饋,使后級逆變器能夠快速響應前級Boost變換器輸入功率的變化。如圖(2)所示,PPV為前級輸入功率,PNB為逆變器輸出功率,Us為DFT 電網相電壓有效值[10-11]。

根據輸入功率等于輸出功率,將式(6)和式(7)變形,可得:

因此,可以計算出功率前饋電流給定值:

式中:kpv=,k為功率前饋比例系數,考慮開關管有功損耗。

電壓外環采用PI 調節器穩定直流側電壓。將直流側參考電壓和直流側測量電壓Udc的差值作為PI 控制器的輸入,進行比例積分運算輸出,通過限幅后獲得直流側電壓外環調節量輸出,將電流幅值指令和前饋電流幅值指令相加,可得到電流內環并網電流有功給定值

4 仿真研究

用光伏電池模型來模擬光伏電站,并在Matlab/Simulink 仿真平臺中搭建標況下額定功率為100 kW光伏并網功率控制系統。系統主要參數如表1 所示。

表1 系統主要參數Tab.1 Main parameters of the system

仿真過程中,主要驗證電壓外環和電流內環的控制性能。為了使諧波補償功能有更好的效果,光伏陣列最大功率點跟蹤采用電導增量法,負載為三相不可控整流器并聯三相阻性負載。諧波檢測環節采用瞬時無功功率法,以及靜止坐標系下SVPWM 調制策略。本地負載呈阻感性,初始值ZL=10+j2。

系統獨立到并網時,無功補償電流電2 壓波形如圖3 所示。

圖3 無功補償電流電壓波形Fig.3 Reactive power compensation current and voltage waveforms

圖3 中,初始t=0 s 時,設定光照強度為0 W/m2、設定K1=1、K2=0,系統進行諧波和無功補償無并網功能;t=0.3 s 時,光照強度變為800 W/m2,系統工作狀態改變為并網并且進行諧波和無功補償。直流側參考電壓設定為 800 V。從圖3 中可以看出,系統既能夠進行單獨的諧波補償,又能在諧波補償和無功補償的同時實現光伏并網功能,且電流總諧波畸變率(total harmonic distortion,THD)低于2%。

由圖4 可知:當初始t=0 s 時,設定光照強度為800 W/m2、K1=0、K2=0,此時系統工作在光伏并網功能,不進行諧波和無功補償;t=0.3 s 時,設定K1=1、K2=0,光照強度不變,系統工作狀態改變為實現諧波和無功補償的同時進行光伏并網。從圖4 中可以看出,在0.3 s 以前電網電流中諧波含量比較大;在對K1值進行0.3 s 的調節以后,電網電流中的諧波含量明顯下降,電流的總諧波畸變率THD 低于2%。

圖4 系統在并網中諧波無功補償電流電壓波形Fig.4 Harmonic reactive power compensation current and voltage waveforms

有/無功率前饋環節系統直流電壓波形如圖5所示。

圖5 有/無功率前饋環節系統直流電壓波形Fig.5 DC voltage waveforms of have or no power feed-forward system

由圖5 可知:當t=0 s 時,系統啟動,初始光照強度為300 W/m2;當t=0.3 s 時,光照強度變為1 000 W/m2。如圖5(a)所示,母線波動比較大,穩定調節時間比較長。但是加入功率前饋后,如圖5(b)所示母線電壓波動明顯小,調節時間變小。在穩態條件下,直流側電壓穩定在800 V 附近,電流THD 低于2%。

5 結論

本文針對光伏并網發電系統中的逆變器工作存在間歇性和容量利用低的情況,對并網功率控制系統的控制結構進行了分析,提出了一種改進型的并網電流合成方法,并通過控制K1、K2值調整系統工作狀態。本文在傳統電流跟蹤控制環節增加了功率前饋,通過改進傳統光伏并網功率控制系統中電流給定算法,實現了系統能夠根據天氣和電網電能質量的狀況進行工作狀態的切換,使系統響應速度有所提高。最后,在Matlab 中搭建100 kW 的仿真平臺,驗證了該控制策略的正確性。