基于光伏逆變最大功率約束下垂控制策略研究*

石佩玉, 彭 程, 賈新立, 路文梅, 郭 放

(河北水利電力學院 電力工程系,河北 滄州 061001)

0 引 言

隨著當前世界經濟和科技的快速發展以及人們生活水平的不斷提升,對能源的需求越來越大,環境污染越來越嚴重,近些年來上述問題得到了越來越多的關注。為解決能源緊缺及環境污染,風能、光能、水能等可再生能源得到迅速發展[1-2]。文獻[3-5]針對LCL濾波的三相并網型逆變器系統,考慮電壓畸變增加網側電流總諧波問題,提出了電流雙環控制策略,外環采用PI控制器,內環采用PR控制器。文獻[6-8]根據奈奎斯特穩定性判據提出一種導納重構策略,將并網點電壓經適當環節反饋至電流控制器的輸出端,通過提高系統對電網阻抗變化的適應能力,實現對諧波諧振的抑制。文獻[9-10]針對傳統擾動觀察法跟蹤光伏逆變系統速度慢、功率波動大的問題,提出了基于模糊控制的光伏最大功率點跟蹤(MPPT)控制策略。文獻[11-12]針對傳統下垂控制特性進行分析,引入動態下垂系數、靈敏度系數,建立改進動態下垂系數控制模型。綜上所述,現有文獻主要針對光伏逆變系統控制策略的穩定性、LCL參數的優化以及下垂控制策略系數的靈敏度特性展開研究,然而針對最大功率約束下垂控制策略的研究相對較少,因此,本文將針對這方面展開研究,實現光伏逆變系統功率的穩定輸出及最大值的實時跟蹤。

1 光伏逆變系統

光伏逆變系統主要由光伏電池板、升壓斬波DC-DC變換電路、逆變器、升壓變壓器、電網和負載這幾部分組成,電路拓撲框圖如圖1所示。光伏電板是光伏逆變系統中光電轉換的核心部件,由多個光伏組件經過串、并聯連接而成;Boost斬波電路將光伏電板輸出動態變化的電壓升壓到穩定電壓值,從而為后端逆變電路提供穩定的直流輸入電壓;逆變電路輸出交流電壓經過變壓器升壓到電網或連接到負載。

圖1 光伏逆變系統原理框圖

1.1 光伏電池數學模型及輸出特性

光伏電池是光伏發電的最小單元,其原理是利用半導體的光生伏打效應,由于單個光伏電池產生的工作電壓、工作電流和輸出功率較小,因此一般都是經過多個電池串、并聯形成光伏矩陣。光伏電池的等效電路圖如圖2所示,電池特性參數如表1所示。

表1 電池特性參數列表

圖2 光伏電池等效電路

由圖2可得電流表達式:

i=iph-id-ir

(1)

(6)

T=Ta+ks×S

(7)

式中:iph為光生電流;Isco為短路電流;Is0為二極管飽和電流;S0為光照強度額定設定值;S為光照密度實際值;Ct為溫度系數;Tref為溫度額定設定值;Ta為溫度實際值;q為電子電荷(取為1.6×10-19C);K為波爾茲曼常數(取為1.381×10-23J/K);Ns為光伏電池串聯的數量;A為光伏電池的發射系數;ks是光照強度影響太陽能電池溫度系數,如果設置成0,表示不考慮光照強度對電池溫度的影響;Eg是每個電池的能帶電壓,晶體硅約為1.12 V,非晶硅約為1.75 V;Rs是內部串聯電阻,Rsh為內部分流電阻。

1.2 光伏電池輸出特性

光伏電板由540串、20并的光伏單元組成,基于光伏電池數學模型對其進行仿真,可以繪制出電池的輸出I=f(U)特性曲線和功率的輸出P=f(U)特性曲線,曲線圖如圖3和圖4所示。取光照強度額定設定值S0為1 000 W/m2,取光伏電板溫度額定設定值Tref為25 ℃。光伏電池是一種非線性的直流電源,電流輸出特性曲線是一條遞減曲線。在輸出電壓達到最大功率點之前,電流的變化緩慢,此時可以等效為近似恒定電流源;當輸出電壓大于最大功率點電壓時,電流快速下降,電壓變化緩慢,可以近似于電壓源。功率輸出特性曲線是一條凸曲線,在達到最大功率點之前,P和U等效線性比例函數,在達到最大功率點后,P反而減小,只存在一個最大輸出功率值Pmax。

圖3 光伏電池U-I變化曲線

圖4 光伏電池U-P變化曲線

光伏電板輸出電壓、功率特性會隨著光照強度及溫度的變化而變化。圖5、圖6為溫度恒定時,不同光照強度值對應的輸出特性曲線。隨著光照強度的上升,光伏電池I=f(U)和P=f(U)的特性曲線上移,當輸出電流、最大功率增大時,最大功率點對應的電壓幾乎不變。圖7、圖8為光照強度恒定時,不同溫度值對應的輸出特性曲線,隨著溫度上升,最大功率點之前的恒定電流幾乎不變,最大功率和開路電壓隨著溫度的升高反而減小。

圖5 不同光照強度下U-I變化曲線

圖6 不同光照強度下U-P變化曲線

圖8 不同溫度下U-P變化曲線

1.3 最大功率跟蹤控制策略分析

光伏電板能量轉化效率相對較低,大致在15%～30%,為了使光伏電板在光照強度及溫度動態變化的情況下獲取最大能量,必須對光伏電板進行最大功率點跟蹤控制。光伏電板和電力電子變換器的輸出特性都具有非線性特征,但在相對較短的時間內,其可近似看作線性電路。將光伏電板等效為一個直流電源,后端的變換器等效為負載,在外部環境動態變化的條件下,通過調整變換器的等效負載電阻,使之快速跟隨光伏電池的內阻變化而變化,同時保持兩者之間的阻抗匹配,從而實現光伏電板功率的最大輸出。

最大功率跟蹤控制策略通常有功率一階微分法、電導增量法、常數電壓法、擾動觀察法等方法,本文將基于變步長的擾動觀察法進行光伏電板最大功率的跟蹤控制。根據光伏電池P=f(U)輸出功率特性曲線可以得出:

(8)

光伏電板輸出功率的微分項是單值函數,其數值的正負、大小特性可以反映其偏離最大功率點的方向和大小,基于這些特征定義電壓擾動的表達式為

(9)

式中:δ為步長調整系數δ×(dP/dU)作為調整量。

當輸出功率偏離最大功率點較大時,dP/dU也較大,從而跟蹤的調整步長也相對大些,便于快速跟蹤;而當輸出功率偏離最大功率點較小時,dP/dU也較小,此時工作點將在最大功率點附近進行小幅度震蕩,提高了跟蹤精度。

2 光伏系統控制策略

2.1 Boost升壓斬波電路控制策略

Boost斬波電路是一種較為普遍使用的直流升壓電路,其可以提高輸出電壓,獲得較高的功率因數,且控制策略相對簡單,其原理框圖如圖9所示。將后端直流母線電壓的參考值與實際反饋值相減后送入PI閉環控制,其PI輸出量作為占控比驅動器件的導通及關斷工作狀態的判定。

圖9 Boost電路控制策略框圖

器件導通與關斷兩種工作模式的等效電路圖如圖10所示。圖10(a)為器件導通狀態的等效電路圖,光伏電板直流電源向電感充電,電容向后端負載放電;圖10(b)為器件關斷狀態的等效電路圖,光伏電板直流電源和電感同時向電容和后端負載放電。當電路工作處于穩態時,每個周期中電感在 IGBT 管導通和關斷時充放電的能量達到動態平衡,輸出電壓ud的表達式為

圖10 器件導通及關斷狀態等效電路圖

(10)

式中:α為器件每個周期的占控比;uin為光伏電板直流電源。

2.2 單相逆變電路并聯控制策略

光伏逆變器并聯的控制方式包含有線的集中控制、主從控制、分散控制和無線的下垂控制策略幾種方式。下垂控制具有無通訊線功能,各并聯模組不需要信息交互,不受距離限制,冗余性較好。單臺逆變器發生故障時對系統造成的影響較小,能實現功率的自動均分,且即插即用,易實現模塊化生產,因此本文將采用下垂控制策略實現光伏系統的并聯控制。

圖11為光伏逆變系統控制策略框圖,其中 圖11(a)為基于下垂控制的并聯逆變系統控制策略,光伏電板最大功率跟蹤及策略如圖11(b)所示。首先,基于下垂控制算法給定逆變電路輸出電壓參考值、有功功率部分生成頻率參考值和無功功率部分生成電壓幅值參考值;其次,將光伏電板輸出最大功率跟蹤值與實際負載功率值進行實時比較后,選擇相應的功率補償值,實現對有功功率下垂表達式的修正;最后,逆變器采用雙環PR控制策略,將下垂算法所求取的電壓參考與電容電壓實際反饋送入電壓外環PR控制器,將其輸出與電感電流實際反饋送入電流內環PR控制器,最終產生PWM驅動信號。

圖11 光伏逆變系統控制策略框圖

3 光伏系統仿真

基于光伏逆變系統的原理框圖在電力電子仿真PSIM軟件搭建數值仿真模型,模型圖如圖12所示。輸入電源包含兩塊光伏電板及儲能蓄電池,光伏電板基于Boost斬波升壓電路將電壓穩定在600 V,儲能蓄電池輸出電壓設定為600 V,為后端單相LCL逆變電路提供穩定的直流電源,三套單相逆變電源并聯運行,其輸出電壓為220 V,通過升壓變壓器升至電網10 kV。仿真模型控制系統參數如表2所示。

表2 控制系統參數列表

圖12 光伏逆變系統仿真模型圖

當負載總輸出功率小于光伏電板輸出最大限定功率的3倍時,兩塊光伏電板及儲能蓄電池對應的每一臺逆變器都基于下垂控制策略實現功率動態均分控制;當負載總輸出功率大于光伏電板輸出最大限定功率的3倍時,兩塊光伏電板均以最大功率輸出, 而剩余的功率全部由儲能蓄電池提供,兩臺光伏逆變器實現功率均分,儲能蓄電池的功率增加。

圖13為光伏逆變系統的仿真結果圖,以光伏電板輸出最大限定功率取10 kW為例。0～0.7 s為升壓Boost斬波電路起動閉環過程;0.7～1.5 s為三臺單相逆變起動閉環及帶載過程,總負載為20 kW,小于三倍光伏電板輸出最大限定功率;1.5～3.0 s為負載進一步提升至33.5 kW,大于三倍光伏電板輸出的最大限定功率。圖13(a)為光伏電板電壓及經過直流升壓斬波控制后的電壓波形圖,光伏電板輸出電壓的平均值約為315 V,升壓Boost電路輸出電壓的平均值約為600 V,負載動態變化過程中電壓的穩定性較好;圖13(b)為Boost升壓斬波電路輸出占控比圖,穩態值達到0.5左右;圖13(c)為單相逆變電路參考電壓及實際電壓波形圖,通過波形可以看出三個逆變電路電壓的跟蹤效果良好,幾乎不存在偏差;圖13(d)為0.7～1.5 s階段逆變電路輸出電流及三臺總電流波形圖,從圖中可以看出,三臺逆變電流實現了均分效果;圖13(e)為1.5～3.0 s階段光伏電板達到最大限幅時三臺單相逆變器輸出電流波形圖,儲能蓄電池對應的逆變電流更大,電流不均分;圖13(f)為三臺單相逆變器基于下垂控制策略對應的輸出頻率圖;圖13(g)為三臺單相逆變器基于下垂控制策略對應的輸出有功功率圖;圖13(h)為三臺單相逆變器基于下垂控制策略對應的輸出無功功率圖。從仿真結果可以看出,基于本文提出的最大功率跟蹤下垂優化控制策略可以實時跟蹤光伏電板最大功率輸出,在負載功率小于光伏電板最大限制功率時可以較好地實現電流及功率均分效果,也可實現兩種不同功率模式下的動態平滑切換。

圖13 光伏逆變系統仿真結果圖

4 結 語

針對光伏系統最大功率優化跟蹤控制問題,本文分析了光伏電池數學模型及輸出特性,基于變步長的擾動觀察法進行光伏電板最大功率捕獲,采用Boost斬波升壓電路為后端逆變器提供穩定直流電源,最后基于修正下垂控制有功功率給定值來實現不同負載功率等下的并聯控制策略。結果表明,變步長的擾動觀察法及改進型下垂控制策略在實際應用中的有效性及可行性。