雙級(jí)PCS中光伏側(cè)控制仿真

王翔宇，梁俊宇，袁興宇

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司研究生工作站，云南 昆明 650217；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟮牟粩嘣鲩L，可再生能源發(fā)電技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。但是可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，如太陽能光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，不同于傳統(tǒng)的發(fā)電方式，其產(chǎn)生的電能一般為直流電，而電網(wǎng)供電和用戶終端所需的電能為交流電。同時(shí)由于可再生能源發(fā)電的特點(diǎn)是不穩(wěn)定和間斷性，無法滿足電網(wǎng)需求的時(shí)刻性和穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電平滑并網(wǎng)，需要對(duì)光伏等間歇性能源配置一定的儲(chǔ)能，并通過聯(lián)合運(yùn)行控制實(shí)現(xiàn)功率的平穩(wěn)輸出。這其中，與電網(wǎng)直接相連的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（Power Conversion System, PCS）負(fù)責(zé)能量的雙向交換，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換、功率調(diào)節(jié)和電網(wǎng)同步等功能，確保能量的高效傳輸和供應(yīng)。其控制運(yùn)行是分布式能源系統(tǒng)接入電網(wǎng)的關(guān)鍵，也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

目前，由于單級(jí)式PCS 系統(tǒng)容量和功率輸出方面都較為有限，其儲(chǔ)能裝置的容量和功率輸出在設(shè)計(jì)上受到限制，這限制了系統(tǒng)的儲(chǔ)能能力和能量傳輸能力，從而可能影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供能能力，無法滿足可再生能源發(fā)電并網(wǎng)需求。為了滿足更大規(guī)模的電力存儲(chǔ)需求，可能需要考慮多級(jí)PCS 的應(yīng)用。雙級(jí)式PCS 系統(tǒng)通過兩級(jí)能量轉(zhuǎn)換，可以增加系統(tǒng)的容量和功率傳輸能力，適用于大容量儲(chǔ)能和高功率輸出的電力存儲(chǔ)和分配系統(tǒng)。同時(shí)多級(jí)式的結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)的控制和管理較為復(fù)雜。由于需要同時(shí)控制和協(xié)調(diào)兩個(gè)逆變器以實(shí)現(xiàn)雙向能量轉(zhuǎn)換，因此對(duì)于控制算法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求較高。

本文針對(duì)儲(chǔ)能雙級(jí)式PCS 中的光伏前級(jí)模塊，推導(dǎo)了電導(dǎo)增量法，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的最大功率點(diǎn)跟蹤。針對(duì)DC/AC 模塊進(jìn)行雙閉環(huán)控制，并在此基礎(chǔ)上通過引入前饋控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了分序無靜差控制策略，從而有效地平穩(wěn)了系統(tǒng)直流母線電壓，并進(jìn)行了數(shù)值仿真驗(yàn)證。

1 光伏發(fā)電特性分析

在雙級(jí)PCS 系統(tǒng)中，光伏模塊作為光電轉(zhuǎn)換裝置，負(fù)責(zé)將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏模塊的輸出電壓和電流對(duì)直流母線電壓穩(wěn)定的影響是巨大的。可是，光伏模塊的功率輸出通常會(huì)受到諸如天氣條件、光照強(qiáng)度等外界因素的影響。因此，在雙級(jí)PCS 系統(tǒng)中，通過峰值功率追蹤算法等控制策略來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤，以最大化光伏模塊的發(fā)電效率對(duì)于光伏模塊的控制至關(guān)重要。

儲(chǔ)能雙級(jí)式PCS 總覽圖如圖1 所示。本文主要圍繞前級(jí)光伏發(fā)電系統(tǒng)展開研究，主要包括光伏電池的工作原理及輸出特性和最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking,MPPT）控制算法，并通過仿真建模為MPPT 控制和對(duì)直流母線電壓控制的實(shí)現(xiàn)提供理論基礎(chǔ)。

圖1 雙級(jí)PCS系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

雙級(jí)式PCS 系統(tǒng)的基本架構(gòu)包括以下部分：

第一級(jí)：直流- 直流（DC-DC）變換器。該變換器負(fù)責(zé)連接儲(chǔ)能裝置（例如電池組）和電網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)直流電的調(diào)節(jié)和變換。它可以將儲(chǔ)能裝置的電壓和電流調(diào)整為適合儲(chǔ)能系統(tǒng)和逆變器運(yùn)行的合適電平，并提供能量管理功能。

第二級(jí)：直流- 交流（DC-AC）逆變器。該逆變器接收來自DC-DC 變換器的直流電，并將其轉(zhuǎn)換為適用于電網(wǎng)的交流電。逆變器還負(fù)責(zé)保持輸出電流的頻率和相位與電網(wǎng)同步，并確保與電網(wǎng)的高質(zhì)量連接。

前級(jí)光伏發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2 所示，將光伏模塊產(chǎn)生的電能經(jīng)過受MPPT 控制的DC-DC 變換電路后產(chǎn)生直流電能輸出，為后級(jí)逆變部分提供能量。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)控制框圖

影響光伏電池對(duì)外輸出特性的主要因素是光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度，由此對(duì)不同自然條件下的光伏輸出特性進(jìn)行分析。

表1 光伏電池參數(shù)

首先關(guān)于不同光照強(qiáng)度下光伏PV 模塊對(duì)外特性進(jìn)行研究，參數(shù)設(shè)置如下：標(biāo)準(zhǔn)溫度T=25 ℃，光照強(qiáng)度分別為S=1000 W/m2、750 W/m2、500 W/m2、250 W/m2。仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 固定溫度不同光照下的輸出特性曲線

以相同的方法，固定光照強(qiáng)度設(shè)置為1000 W/m2， 將溫度分別設(shè)置為T=45 ℃、35 ℃、25 ℃、15 ℃，照仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 固定光照強(qiáng)度不同溫度下輸出特性曲線

圖3和圖4 為光伏PV 模塊在不同自然條件下對(duì)外特性的仿真結(jié)果，可以對(duì)比觀察輸出電壓、輸出電流和輸出功率之間的聯(lián)系。從上圖對(duì)比可得出以下結(jié)論：

光伏發(fā)電的特性受到多種因素的影響：

首先光照強(qiáng)度對(duì)光伏發(fā)電的影響非常顯著，光照越強(qiáng)，光伏電池的發(fā)電功率就越高，進(jìn)而影響光伏發(fā)電的產(chǎn)量。同時(shí)，光伏電池的溫度也會(huì)對(duì)發(fā)電性能產(chǎn)生很大影響。由圖4 可知，在一定范圍內(nèi)光伏電池的溫度越高，發(fā)電效率就越低，因此，熱量的散發(fā)和光伏電池的散熱設(shè)計(jì)對(duì)于提高光伏發(fā)電效率很重要。此外陰影效應(yīng)、角度和方向、污染和灰塵等外界因素也會(huì)影響光伏板的光照強(qiáng)度和溫度。最后，在光伏PV 模塊的對(duì)外特性曲線上峰值點(diǎn)有且僅有一個(gè)，也就是說最大功率點(diǎn)只有一個(gè)，并且最大功率點(diǎn)在不同環(huán)境條件并不固定，所以如何實(shí)現(xiàn)在變化的外界環(huán)境下將光伏板功率控制在最大功率工作點(diǎn)至關(guān)重要。

2 MPPT控制策略

由前文可知，光伏電池的輸出功率與輸入電壓和電流之間存在一個(gè)最大功率點(diǎn)（MPP），該點(diǎn)是光伏電池輸出功率最高的位置。然而，由于光照強(qiáng)度、溫度和負(fù)載變化等因素的影響，光伏電池的工作點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致輸出功率不斷變化。MPPT 控制技術(shù)通過測量光伏電池輸出電壓和電流，并根據(jù)這些測量值調(diào)整電池負(fù)載，以使其工作于最大功率點(diǎn)。這樣可以最大程度地提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。

為提高光伏模塊的發(fā)電效率，需要配合相應(yīng)的控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)MPP 點(diǎn)的實(shí)時(shí)跟蹤，以通過實(shí)時(shí)調(diào)整光伏模塊的輸出電壓以實(shí)現(xiàn)調(diào)整等效阻抗的控制效果，使其工作在MPP 點(diǎn)附近。圖5 為MPPT 控制策略框圖。

圖5 光伏MPPT控制框圖

MPPT（Maximum Power Point Tracking）控制原理是通過工作點(diǎn)追蹤，使其在不同光照強(qiáng)度、溫度和負(fù)載等因素影響下都能提供最大輸出功率。通過傳感器測量光伏模塊的輸出電流、輸出電壓，計(jì)算實(shí)時(shí)功率以和MPP 點(diǎn)比較，通過改變負(fù)載或控制電子器件的轉(zhuǎn)換效率，調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)。目標(biāo)是使光伏系統(tǒng)的功率輸出接近最大功率點(diǎn)（MPP）。這可以通過使用不同的控制算法和調(diào)節(jié)策略來實(shí)現(xiàn)。

由于MPPT 控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，使用時(shí)根據(jù)現(xiàn)有算法進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化更多考慮實(shí)用性，根據(jù)不同的控制算法，系統(tǒng)的控制精度、成本都會(huì)不同，因此實(shí)際生產(chǎn)中需要選用合適的MPPT 算法。本文以擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法兩種MPPT 控制算法為例對(duì)功率點(diǎn)尋優(yōu)的工作原理和特點(diǎn)進(jìn)行分析。

在太陽能電池組的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)中，擾動(dòng)觀察法是一種應(yīng)用較為廣泛的方法之一。擾動(dòng)觀察法通過對(duì)太陽能電池組電壓或電流施加微小的幅度波動(dòng)，觀察輸出功率的變化，并通過反饋控制來調(diào)整工作點(diǎn)，迭代優(yōu)化使得太陽能電池組能夠工作在其最大功率點(diǎn)上。在擾動(dòng)觀察法中，通過引入正向或負(fù)向電壓干擾，太陽能電池組的工作點(diǎn)會(huì)發(fā)生偏移。如果輸出功率隨著干擾的加入而增加，說明工作點(diǎn)越來越接近最大功率點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)觀察結(jié)果，再次引入正向干擾。然而，如果輸出功率隨干擾的加入而減小，說明工作點(diǎn)偏離最大功率點(diǎn)，此時(shí)需要改變擾動(dòng)方向引入相反的干擾。

如圖6 所示，詳細(xì)來說，工作起點(diǎn)為A 點(diǎn)，在A 點(diǎn)引入正向電壓干擾，使得工作點(diǎn)移至B點(diǎn)。如果在B 點(diǎn)輸出功率依然增加，則再次引入正向干擾，繼續(xù)向最大功率點(diǎn)靠攏。但是，如果輸出功率隨著正向擾動(dòng)的加入而減小，說明工作點(diǎn)需要向最大功率點(diǎn)的另一側(cè)移動(dòng)。在這種情況下，改變擾動(dòng)方向，引入反向干擾。這樣，在B 點(diǎn)到C 點(diǎn)和D 點(diǎn)的過程中，輸出功率先增加后減小，最終形成一個(gè)擺動(dòng)過程。擺動(dòng)的幅度取決于尋優(yōu)過程中引入的干擾步長。

圖6 擾動(dòng)觀察法工作路程圖

同樣地，從A 點(diǎn)開始引入負(fù)向干擾，如果輸出功率因此減小，也需要改變擾動(dòng)方向，引入正向電壓干擾。通過不斷迭代和調(diào)整干擾方向，在最大功率點(diǎn)C 附近實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

以上就是擾動(dòng)觀察算法的工作路徑，通過引入適當(dāng)?shù)母蓴_，不斷調(diào)整太陽能電池組的工作點(diǎn)，使其接近最大功率點(diǎn)。具體的算法流程如圖7 所示。

圖7 擾動(dòng)觀察法算法流程圖

擾動(dòng)觀察算法具有結(jié)構(gòu)簡單、控制環(huán)路清晰的特點(diǎn)。它首先采集光伏電池輸出側(cè)的電壓和電流數(shù)值，然后引入干擾信號(hào)進(jìn)行周期性的尋優(yōu)。此算法通過觀察引入干擾后輸出功率的變化情況，結(jié)合反饋閉環(huán)的方式來追蹤太陽能電池組的最大功率點(diǎn)。然而，由于該算法的實(shí)現(xiàn)過程特點(diǎn)，當(dāng)尋找最大功率點(diǎn)附近時(shí)，電池組工作點(diǎn)會(huì)不斷在該區(qū)域內(nèi)擺動(dòng)，從而導(dǎo)致光伏發(fā)電單元無法持續(xù)輸出最大功率。因此，在尋優(yōu)過程中，需要適當(dāng)設(shè)置干擾量來降低對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的影響。另外，當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)誤判現(xiàn)象，導(dǎo)致控制精度下降。因此，P&O 算法更適用于對(duì)控制精度要求不高的光伏發(fā)電系統(tǒng)。針對(duì)對(duì)控制精度要求較高的系統(tǒng)，需要考慮其他更復(fù)雜的MPPT 算法。

電導(dǎo)增量法（Incremental Conductance）它通過測量太陽能電池組的電壓和電流，并計(jì)算其電導(dǎo)（即電流對(duì)電壓的變化率），以確定最大功率點(diǎn)。電導(dǎo)增量法的原理基于以下幾個(gè)關(guān)鍵觀察： 在最大功率點(diǎn)附近，電池組的電導(dǎo)為零；當(dāng)電池組工作點(diǎn)偏離最大功率點(diǎn)時(shí)，電池組的電導(dǎo)為正或負(fù)。基于以上觀察，電導(dǎo)增量法通過測量PV 模塊的電壓和電流，得到當(dāng)前工作點(diǎn)的電壓和電流值。然后計(jì)算當(dāng)前工作點(diǎn)的電導(dǎo)，即電流對(duì)電壓的變化率。通常使用離散的差分來近似連續(xù)的導(dǎo)數(shù)計(jì)算。電導(dǎo)的計(jì)算公式為：dV/dI。其中dV表示電壓的變化量，dI表示電流的變化量。比較當(dāng)前工作點(diǎn)的電導(dǎo)與零值的關(guān)系： 若電導(dǎo)為零，表示當(dāng)前工作點(diǎn)接近最大功率點(diǎn)，繼續(xù)維持當(dāng)前工作點(diǎn)； 若電導(dǎo)為正，表示工作點(diǎn)偏離最大功率點(diǎn)，需要向最大功率點(diǎn)調(diào)整，增加電壓；若電導(dǎo)為負(fù)，表示工作點(diǎn)偏離最大功率點(diǎn)，需要向最大功率點(diǎn)調(diào)整，減小電壓；根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整電池組的工作點(diǎn)，繼續(xù)采集新的電壓和電流數(shù)值，并重復(fù)上述步驟。通過不斷調(diào)整工作點(diǎn)和追蹤電導(dǎo)的變化，電導(dǎo)增量法可以有效地定位和跟蹤最大功率點(diǎn)。

如圖8 為電導(dǎo)增量法的實(shí)現(xiàn)過程：通過研究功率與電壓的微分關(guān)系，根據(jù)在最大功率點(diǎn)處dI/dV=0 的特性，從而判定系統(tǒng)工作點(diǎn)與最大功率點(diǎn)的位置，可以用公式描述為：

圖8 電導(dǎo)增量法工作路徑圖

其中，ΔV為采樣電壓與前一次采樣電壓的差值，ΔI為采樣電流的差值，計(jì)算結(jié)果可以分為以下三種：

當(dāng)電池組的電壓變化率dV為0、電流變化率dI為0 時(shí)，表示系統(tǒng)位于最大功率點(diǎn)（MPP），此時(shí)不需要進(jìn)行進(jìn)一步的控制調(diào)節(jié)。當(dāng)電壓變化率dV為0 且電流變化率dI大于0 時(shí)，表示在當(dāng)前環(huán)境條件下光強(qiáng)增加，工作點(diǎn)偏離最大功率點(diǎn)的左側(cè)，因此應(yīng)該增加電壓來調(diào)整工作點(diǎn)。而當(dāng)電壓變化率dV為0 且電流變化率dI小于0 時(shí)，表示工作點(diǎn)偏離最大功率點(diǎn)的右側(cè)，此時(shí)應(yīng)該降低電壓來調(diào)整工作點(diǎn)。若電壓變化率dV不等于0 且電流變化率dI/dV大于負(fù)的電流與電壓之比（-I/V），則表示系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)的左側(cè)，因此應(yīng)該增加電壓。而當(dāng)電流變化率與電壓變化率之比dI/dV等于負(fù)的電流與電壓之比（-I/V）時(shí)，說明系統(tǒng)目前工作在最大功率點(diǎn)上，此時(shí)需要保持電壓不變。圖9 展示了INC 算法的流程圖。

圖9 電導(dǎo)增量法算法流程圖

電導(dǎo)增量算法用于實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)（MPP）的實(shí)時(shí)追蹤。根據(jù)光伏電池的輸出特性曲線，該算法首先采集電壓和電流的瞬時(shí)值，并計(jì)算輸出功率和電壓之間的微分關(guān)系。基于電導(dǎo)和電導(dǎo)增量的變化，調(diào)整步長來尋找最大功率點(diǎn)。然而，由于INC 算法的復(fù)雜性和對(duì)系統(tǒng)的要求較高，它存在一定的截?cái)嗾`差，很難滿足高精度的要求。實(shí)際應(yīng)用中，INC 算法需要實(shí)時(shí)獲取電壓和電流的測量值，并通過近似計(jì)算電導(dǎo)來確定功率點(diǎn)的位置。在每次迭代過程中，根據(jù)電導(dǎo)增量的變化來調(diào)整電壓的步長，以逐步接近最大功率點(diǎn)。然而，由于實(shí)際系統(tǒng)中的噪聲、漂移等干擾因素，以及計(jì)算中的近似誤差，INC 算法很難達(dá)到高精度的最大功率點(diǎn)跟蹤要求。

根據(jù)上文所述，擾動(dòng)觀察法雖然具有簡單的實(shí)現(xiàn)方式，適用于一般的太陽能光伏系統(tǒng)。它通過周期性的擾動(dòng)和觀察功率變化來逼近最大功率點(diǎn)。但是電導(dǎo)增量法具有更高精度的功率跟蹤功能，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，固采取電導(dǎo)增量法實(shí)施控制。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink 平臺(tái)搭建出系統(tǒng)的仿真模型如圖10 所示，仿真系統(tǒng)由前級(jí)光伏發(fā)電部分和后級(jí)逆變電路組成。其中，前級(jí)光伏發(fā)電系統(tǒng)由三部分組成：

圖10 前級(jí)光伏發(fā)電部分

第Ⅰ部分光伏發(fā)電模塊，可通過設(shè)置參數(shù)模擬光伏電池板工作時(shí)環(huán)境條件；第Ⅱ部分為MPPT 算法和Boost 電路的控制模塊，完成對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤控制；

第Ⅲ部分Boost 升壓電路，光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電能由此作為后級(jí)逆變部分的直流輸入。濾波電感1.45 mH，電感內(nèi)阻R為0.0001 Ω，濾波電容10 μF，直流母線電壓Udc為400 V，直流側(cè)支撐電容200 F，輸出電壓基波頻率50 Hz。

設(shè)定光照強(qiáng)度為1000 W/m2，溫度為25 ℃，首先以平穩(wěn)工況運(yùn)行對(duì)PV 輸出功率與直流母線電壓進(jìn)行觀測。仿真結(jié)果如圖11 所示。

圖11 平穩(wěn)工況下光伏模塊輸出以及直流母線波形

圖12為恒溫變光照強(qiáng)度下的光伏輸出功率以及直流母線電壓，在測試開始時(shí)先采用1000 W/m2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中分別改變光照強(qiáng)度為900 W/m2、800 W/m2，最終調(diào)整回1000 W/m2，由測得波形可知在頻繁變換光照強(qiáng)度的情況下，直流母線仍保持在穩(wěn)定范圍，在最后光照強(qiáng)度突然由800 W/m2升為1000 W/m2的過程中雖然直流母線電壓發(fā)生些許波動(dòng)，但仍在可接受范圍。光伏模塊采用電導(dǎo)增量法控制效果也滿足設(shè)計(jì)要求，在變化的光照強(qiáng)度下，光伏模塊始終維持穩(wěn)定功率。

圖12 變光照強(qiáng)度工況下光伏模塊輸出以及直流母線波形

圖13為穩(wěn)定光照強(qiáng)度，變溫工況下的光伏輸出功率以及直流母線電壓，在測試開始時(shí)先采用25 ℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中分別改變環(huán)境溫度為25 ℃、15 ℃。由測得波形可知在逐漸變溫的情況下，直流母線仍保持在穩(wěn)定范圍。

圖13 變溫工況下光伏模塊輸出以及直流母線波形

4 結(jié)束語

本文對(duì)應(yīng)用于光- 儲(chǔ)雙級(jí)式PCS 的前級(jí)光伏模塊進(jìn)行了研究，首先介紹了光伏發(fā)電的工作原理，然后對(duì)光伏電池進(jìn)行建模測得光伏發(fā)電對(duì)外輸出特性，最后對(duì)光伏發(fā)電中兩種最大功率跟蹤的控制策略進(jìn)行研究，分析原理并對(duì)比其特點(diǎn)。得出電導(dǎo)增量法不僅實(shí)現(xiàn)了在不同工況下的最大功率跟蹤，也使得直流母線電壓更加平滑，同時(shí)獲得更大的電壓寬度，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種控制策略的正確性和有效性。