光伏并網系統功率解耦控制策略

王文龍

(國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院,哈爾濱 150030)

0 引 言

當今社會對電力的需求持續增長,電力供應不再受限于傳統的火力發電,為減少化石燃料燃燒發電對大氣的污染,維持自然環境可持續發展,新能源發電受到大力推廣和廣泛應用[1]。近年來,光伏發電并網容量增長迅速,對分擔電力負荷、促進能源轉型、實現碳中和與碳達峰具有重要意義[2]。

光伏發電受光照因素影響,太陽輻射充足時,電能轉化性能優越,光照不足時,電力供應隨之下降,輸出功率具有較強的隨機性和波動性[3-5]。隨著電力電子技術的快速發展,逆變器在光伏發電系統中的應用愈發普及,其對功率控制具有重要作用。文獻[6-8]對光伏發電的功率最小振蕩控制方法進行研究,探尋有效的控制方法跟蹤光伏發電系統的最大輸出功率。

該文采用擾動觀察法(perturb and observe, P&O)跟蹤光伏轉換器的最大功率點,確定升壓變換器占空比擾動,分析光伏并網系統電壓和電流,解耦控制有功功率和無功功率,通過Matlab/Simulink 軟件平臺對光伏并網系統進行建模,以驗證該控制策略的有效性。

1 光伏并網系統模型

采用Matlab/Simulink軟件平臺構建光伏并網系統模型,如圖1所示。繪制光伏發電系統等值電路,如圖2所示。

圖1 光伏并網系統模型

圖2 光伏電池等值電路

由基爾霍夫電流定律(Kirchhoff's current law, KCL)得

Ipv=Iph-Id-Ishu

(1)

(2)

(3)

式中:Vpv為光伏電池板輸出電壓;Ipv為光伏電池輸出電流;Iph為光生電流;Id為二極管支路電流;Ishu為并聯電阻支路電流;Isat為二極管飽和電流;Rser為等效串聯電阻;Rshu為等效并聯電阻;k為玻爾茲曼常數,k=1.38×10-18J;q為電子電荷,q=1.6×10-19C;t為溫度;n為光伏電池PN結曲線常數。

實際工程中,光生電流的計算如下:

Iph=Iph,std[1+k0(Tre-Tstd)]

(4)

(5)

(6)

式中:Tstd為標準環境溫度,25 ℃;Estd為標準環境下太陽輻射照度,1 000 W/m2;Tre、Ere分別為實際環境溫度和實際太陽輻射照度;Isc,re、Isc,std分別為實際環境溫度和標準環境溫度下光伏電池短路電流;Iph,std為標準環境溫度下的光伏電池輸出電流;k0為溫差電流系數。

直流轉換器的數學建模為

(7)

(8)

(9)

式中:Vdc為直流電壓;IL為流過電感電流;Vm為直流轉換器兩端電壓;L、C為電感、電容值。

使用三相逆變器將光伏電池輸出的直流電壓變換為交流電壓,控制系統輸出的相電壓Van、Vbn、Vcn和線電壓Vab、Vbc、Vca計算式如下。

(10)

(11)

通過式(10)、式(11)可得光伏發電系統的輸出相電壓為

(12)

2 功率解耦控制

在建立光伏發電并網模型的基礎上,為優化系統模型的輸出功率,對有功功率和無功功率進行解耦控制,采用擾動觀察法追蹤最大功率點[9]。光伏并網系統功率解耦控制策略具體實施流程如圖3所示。

圖3 功率解耦控制實施流程圖

光伏發電系統的有功功率和無功功率的解耦控制如下:

(13)

式中:Vg,d、Vg,q分別為電網電壓的直軸(d軸)和交軸(q軸)分量;Ig,d、Ig,q分別為電網電流的直軸和交軸分量。

令參考坐標系與電網電壓同步,Vg,q=0,式(13)可以表示為

(14)

通過電網側逆變器在控制回路中使用PI調節器,獨立控制有功功率Pg和Qg無功功率,參考電流計算如式(15)所示。

(15)

式中:Ig,d,ref、Ig,q,ref分別為電網參考電流的直軸和交軸分量;Kd,P、Kq,P與Kd,I、Kq,I分別為PI調節器的比例參數和積分參數。

3 仿真算例分析

利用Matlab/Simulmink軟件平臺搭建光伏發電并網模型,光伏裝機容量為100 kW,并網電壓等級為10 kV,設置控制模塊,在圖4所示的溫度和太陽輻射環境下,對光伏并網系統功率解耦控制策略進行仿真分析。

圖4 溫度和太陽能輻射變化

當溫度從初始值10 ℃上升到標準溫度25 ℃后保持穩定,在溫度和太陽輻射的共同作用下,采樣光伏電池板輸出電壓和電流,如圖5所示。

圖5 光伏電池板輸出電壓和電流

無論溫度和太陽輻射的環境條件如何變化,三相逆變器的輸入端直流轉換器直流電壓Vdc的控制保持在直流參考電壓Vdc,ref(500 V)附近,如圖6所示。

圖6 直流轉換器直流電壓

所提出的策略可以實現電網電壓和電流的穩定控制,使幅值和頻率保持在一個穩定值,如圖7所示。同時,能夠解耦控制光伏發電系統的有功功率和無功功率,在確保有功功率有效持續輸出的基礎上,盡可能地限制無功功率輸出,如圖8所示。

圖7 電網電壓和電流

圖8 光伏發電系統輸出的有功功率和無功功率

4 結 語

提出采用擾動觀察法追蹤光伏并網系統的最大功率點,實現有功功率和無功功率的解耦控制。仿真算例結果表明,在溫度和太陽輻射變化環境下,該策略能夠控制光伏系統直流電壓與參考值保持一致,持續輸出有功功率的同時,最大程度限制無功功率輸出,驗證了所提策略的有效性。