光伏電源利用直流-同步電機(jī)并網(wǎng)控制方法的研究

孫 穎，張建成

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光伏電源利用直流-同步電機(jī)并網(wǎng)控制方法的研究

孫 穎，張建成

(華北電力大學(xué)電力工程系，河北 保定 071003)

針對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器存在故障率高、諧波含量大、控制復(fù)雜等問(wèn)題，提出一種實(shí)用的光伏電源利用直流-同步電機(jī)并網(wǎng)的方案。該光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中光伏電源為直流電機(jī)供電，直流電機(jī)帶動(dòng)同步電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)直流與交流電能之間的轉(zhuǎn)換。并網(wǎng)控制系統(tǒng)包括光伏陣列最大功率跟蹤控制、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制和同步電機(jī)端電壓控制，當(dāng)自動(dòng)裝置檢測(cè)和判斷同步電機(jī)滿(mǎn)足并網(wǎng)條件時(shí)合閘并網(wǎng)。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后，同步電機(jī)的輸出功率跟隨光伏陣列輸出功率的變化而變化。MATLAB/Simulink仿真驗(yàn)證了該并網(wǎng)方案的可行性，該方案得到的并網(wǎng)電壓、電流波形質(zhì)量好，能夠同時(shí)向電網(wǎng)提供有功和無(wú)功功率，有利于改善電網(wǎng)功率因數(shù)。

光伏發(fā)電；直流電機(jī)；同步電機(jī)；MPPT控制；并網(wǎng)控制

0 引言

近年來(lái)，世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求量日益增加，傳統(tǒng)能源的日漸枯竭和環(huán)境污染等問(wèn)題逐漸成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。太陽(yáng)能作為一種清潔的可再生能源具有取之不盡、用之不竭的特點(diǎn)，因此受到人們的廣泛關(guān)注。在解決能源危機(jī)、改變能源結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，光伏發(fā)電越發(fā)受到世界各國(guó)的重視。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)正在由獨(dú)立運(yùn)行向并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行方向發(fā)展，光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)也逐漸成為光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-4]。

目前，光伏電源的并網(wǎng)大多通過(guò)逆變器實(shí)現(xiàn)，逆變器自身的工作特點(diǎn)決定其存在故障率高、諧波含量大和控制復(fù)雜等問(wèn)題，且逆變器的并網(wǎng)運(yùn)行存在諸多問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]指出，逆變器具有強(qiáng)非線(xiàn)性性，導(dǎo)致其在一定條件下會(huì)表現(xiàn)出復(fù)雜的不規(guī)則行為，從而對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和正常并網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[6-7]指出，電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)時(shí)，并網(wǎng)電流中出現(xiàn)的負(fù)序分量和諧波分量會(huì)使逆變器輸出直流電壓，對(duì)逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行和并網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，這種影響在多臺(tái)逆變器并聯(lián)的情況下更為明顯。文獻(xiàn)[8-9]指出，阻止電流諧波注入電網(wǎng)是獲得高質(zhì)量入網(wǎng)電流的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[10-11]指出，逆變器輸出電流中的直流分量會(huì)對(duì)逆變器自身的正常工作產(chǎn)生影響，對(duì)其直接負(fù)載造成損害，并導(dǎo)致配電網(wǎng)變壓器飽和，產(chǎn)生偶次諧波，損害電網(wǎng)負(fù)載。文獻(xiàn)[12]指出，相對(duì)于奇次諧波，并網(wǎng)逆變器產(chǎn)生的偶次諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成更大危害。文獻(xiàn)[13]指出，逆變器同一橋臂上開(kāi)關(guān)管的死區(qū)，變壓器鐵芯磁飽和，開(kāi)關(guān)管的通態(tài)壓降以及電網(wǎng)電壓的失真等會(huì)使并網(wǎng)逆變器產(chǎn)生低次諧波，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成影響。文獻(xiàn)[14-16]指出，在并網(wǎng)逆變器控制過(guò)程中，電流參考信號(hào)是通過(guò)對(duì)電網(wǎng)電壓的鎖相得到的，因此，電網(wǎng)背景諧波會(huì)對(duì)并網(wǎng)逆變器的電能質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。與逆變器相比，電機(jī)成本低、壽命長(zhǎng)，且直流電機(jī)具有優(yōu)異的調(diào)速性能，對(duì)轉(zhuǎn)速的控制易于實(shí)現(xiàn)[17]，同步電機(jī)輸出的有功和無(wú)功功率便于調(diào)節(jié)，有利于改善電網(wǎng)功率因數(shù)[18-19]，因此，本文提出光伏電源利用直流電機(jī)和同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的方案，由直流電機(jī)帶動(dòng)同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)直流電能與交流電能之間的轉(zhuǎn)換。光伏電源采用該方案并網(wǎng)時(shí)電能質(zhì)量不受電網(wǎng)背景諧波的影響，對(duì)有功和無(wú)功功率便于調(diào)節(jié)，且高壓、大容量電機(jī)制造技術(shù)成熟，運(yùn)行維護(hù)成本低。

1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏電源利用直流-同步電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖1可見(jiàn)，該光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由光伏陣列、Boost升壓電路、直流電機(jī)、同步電機(jī)和控制系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、同步電機(jī)勵(lì)磁控制以及判斷并網(wǎng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的功能。光伏陣列輸出的直流電能經(jīng)過(guò)直流電機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)同步電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，完成電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程，由自動(dòng)裝置檢測(cè)和判斷，當(dāng)同步電機(jī)端電壓幅值、頻率、相位與電網(wǎng)側(cè)一致時(shí)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)合閘，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的互聯(lián)。

2 MPPT控制

光伏電池的輸出功率與工作環(huán)境如光照強(qiáng)度、負(fù)載和溫度等因素密切相關(guān)。在不同的外界條件下，光伏電池可運(yùn)行在不同且唯一的最大功率點(diǎn)上。光伏發(fā)電系統(tǒng)中，利用MPPT控制使光伏電池在工作環(huán)境發(fā)生變化時(shí)維持最大功率點(diǎn)輸出是提高系統(tǒng)效率的重要方式。本文選用擾動(dòng)觀察法對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行MPPT控制，通過(guò)周期性改變光伏電池的端電壓來(lái)尋找最大功率運(yùn)行點(diǎn)，若電壓變動(dòng)后光伏電池輸出功率增大，則電壓朝同一方向繼續(xù)變動(dòng)；反之，若電壓變動(dòng)后光伏電池輸出功率減小，則在下一周期中令電壓朝相反方向變動(dòng)，直至找到最大功率點(diǎn)為止。通過(guò)控制Boost電路中IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率輸出運(yùn)行?？刂圃砣鐖D2所示。

圖2 MPPT控制框圖

圖中：PV為光伏電池輸出電流；PV為光伏電池端電壓；PV_ref為經(jīng)過(guò)最大功率跟蹤后得到的光伏電池輸出端電壓參考值；g為經(jīng)過(guò)控制器后得到的IGBT門(mén)極觸發(fā)信號(hào)。

3 光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)

光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)的目標(biāo)是調(diào)節(jié)同步電機(jī)端電壓幅值、相位和頻率與電網(wǎng)側(cè)一致，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行。

3.1 同步電機(jī)端電壓控制

3.1.1 電壓幅值控制

不計(jì)飽和時(shí)，同步電機(jī)的電壓平衡方程式為

式中：為電機(jī)端電壓；為電動(dòng)勢(shì)；為定子電流；a為定子內(nèi)阻。

相電動(dòng)勢(shì)有效值為

式中：為同步電機(jī)相電動(dòng)勢(shì)有效值；為頻率；為一相繞組匝數(shù)；為磁通。

當(dāng)電機(jī)頻率和繞組匝數(shù)一定時(shí)，同步電機(jī)電動(dòng)勢(shì)與磁通量成正比。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓改變定子磁通可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)端電壓值的控制。勵(lì)磁控制原理如圖3所示，圖中ref為同步電機(jī)端電壓幅值參考值，為同步電機(jī)端電壓幅值實(shí)測(cè)值，f為電機(jī)勵(lì)磁電壓。

圖3 同步電機(jī)勵(lì)磁控制結(jié)構(gòu)圖

同步電機(jī)端電壓幅值參考值與實(shí)測(cè)值的差值經(jīng)過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將信號(hào)輸送給勵(lì)磁機(jī)，從而改變勵(lì)磁機(jī)的輸出電壓，達(dá)到通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓控制同步電機(jī)端電壓幅值的目的。

3.1.2 相位控制

同步電機(jī)并網(wǎng)時(shí)的相位與電網(wǎng)相位不同則并網(wǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大沖擊電流，造成對(duì)發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的沖擊，通過(guò)對(duì)電機(jī)頻率進(jìn)行微調(diào)，追蹤電網(wǎng)相位，使電機(jī)相位與電網(wǎng)相位一致。

3.2 頻率及有功功率控制

同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系為

式中：為電機(jī)轉(zhuǎn)速；為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

當(dāng)極對(duì)數(shù)一定時(shí)，電機(jī)頻率與轉(zhuǎn)速值成正比。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸出電能頻率的控制。該光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，同步電機(jī)由直流電機(jī)拖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)同軸旋轉(zhuǎn)，因此通過(guò)調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)同步電機(jī)頻率的控制。

直流電機(jī)在額定勵(lì)磁下，電樞回路電壓方程為

式中：a為直流電機(jī)端電壓；為電樞電阻；a為電樞電流；為電動(dòng)勢(shì)；e為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。

整理得到電機(jī)轉(zhuǎn)速方程為

可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)直流電機(jī)端電壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)平滑調(diào)節(jié)。

直流電機(jī)的端電壓調(diào)節(jié)通過(guò)Boost電路實(shí)現(xiàn)，因此，Boost電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)MPPT功能和電機(jī)轉(zhuǎn)速控制功能。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理如圖4所示。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制框圖

圖4中ref為電機(jī)轉(zhuǎn)速參考值，為電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)值，兩轉(zhuǎn)速的差值經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器的輸出與MPPT控制的PI調(diào)節(jié)器輸出疊加后作為PWM信號(hào)發(fā)生器的輸入，得到Boost電路中IGBT的開(kāi)關(guān)信號(hào)，從而在Boost電路中同時(shí)實(shí)現(xiàn)MPPT功能和電機(jī)轉(zhuǎn)速控制功能。

直流電機(jī)的電磁功率為

式中：e為電磁功率；e為電磁轉(zhuǎn)矩；為電機(jī)角速度。

電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流的關(guān)系為

電樞電流與電機(jī)端電壓的關(guān)系為

(8)

因此得到電磁功率與電機(jī)端電壓的關(guān)系為

光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后，電機(jī)轉(zhuǎn)速受到電網(wǎng)頻率牽制而穩(wěn)定在同步速，此時(shí)直流電機(jī)電動(dòng)勢(shì)和角速度均為常數(shù)，則電磁功率與電機(jī)端電壓成正比。直流電機(jī)的端電壓與經(jīng)MPPT控制得到的光伏陣列輸出功率成正比變化，因此，當(dāng)光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后，Boost電路實(shí)現(xiàn)MPPT的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)端電壓的調(diào)節(jié)。同步電機(jī)的輸出功率會(huì)跟隨光伏陣列的輸出功率變化而變化。

4 仿真分析

在MATLAB/Simulink平臺(tái)下分別對(duì)光伏電源利用直流-同步電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)和光伏電源利用逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。由于電機(jī)制造技術(shù)成熟，不受容量限制，光伏電源利用電機(jī)并網(wǎng)的方式在高壓、大容量情形下更為有利，因此，仿真僅對(duì)該并網(wǎng)方案的原理進(jìn)行驗(yàn)證，其在大容量情形下同樣適用。設(shè)定光伏陣列容量為5.6 kW，直流電機(jī)選用永磁電機(jī)，參數(shù)如下：N=5.8 kW，N=500 V，N=1 500 r/min，a=3.5 Ω，a=0.039 2 H，T=3。同步電機(jī)參數(shù)如下：N=5.5kW，N=400 V，N=50 Hz，N=1 500 r/min。光伏系統(tǒng)交流有功負(fù)載為1 kW。光伏陣列初始光照度設(shè)定為1 000 W/m2，在2 s時(shí)光照度變?yōu)?00 W/m2。

電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始啟動(dòng)，當(dāng)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置判斷電機(jī)滿(mǎn)足并網(wǎng)條件時(shí)，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)合閘。仿真結(jié)果如下圖所示。

由圖5可見(jiàn)，光伏陣列經(jīng)過(guò)最大功率跟蹤控制后在0.3 s實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，在2 s光照度降低后，光伏陣列的輸出功率降低并迅速穩(wěn)定在新的最大功率點(diǎn)運(yùn)行，MPPT達(dá)到了較好的控制效果。

圖5 光伏陣列輸出功率

由圖6可見(jiàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速在0.56 s時(shí)上升到同步速，此時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)合閘，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速

由圖7可見(jiàn)，在勵(lì)磁控制系統(tǒng)作用下同步電機(jī)定子端電壓幅值在0.4 s時(shí)上升到整定值并一直維持不變。勵(lì)磁控制達(dá)到了較好的控制效果。

由圖8可見(jiàn)，光伏系統(tǒng)采用直流-同步電機(jī)并網(wǎng)方式時(shí)得到的并網(wǎng)電流波形平滑，波形質(zhì)量好，對(duì)電網(wǎng)沒(méi)有諧波污染，而逆變器并網(wǎng)方式下得到的并網(wǎng)電流波形中諧波含量較高，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成影響。

圖8 兩種并網(wǎng)方式下并網(wǎng)電流局部放大波形

由圖9可見(jiàn)，并網(wǎng)前同步電機(jī)輸出有功功率為1 kW，與光伏系統(tǒng)的交流有功負(fù)載平衡，在0.56 s并網(wǎng)開(kāi)關(guān)合閘后光伏系統(tǒng)開(kāi)始并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行，光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)側(cè)輸送功率，在2 s光伏陣列輸出功率降低后，同步電機(jī)輸出有功功率下降并穩(wěn)定在新的功率輸出運(yùn)行。

圖9 同步電機(jī)輸出有功功率

由圖10可見(jiàn)，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)前同步電機(jī)不發(fā)出無(wú)功功率，在0.56 s光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后同步電機(jī)開(kāi)始向電網(wǎng)輸送無(wú)功功率，在2 s光伏陣列輸出功率變化后，同步電機(jī)輸出無(wú)功功率升高并穩(wěn)定在新的功率輸出運(yùn)行。

圖10 同步電機(jī)輸出無(wú)功功率

5 結(jié)論

針對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器存在故障率高、諧波含量大和控制復(fù)雜等問(wèn)題，本文提出了光伏電源利用直流-同步電機(jī)并網(wǎng)的方案。根據(jù)同步電機(jī)的并網(wǎng)條件，分別調(diào)節(jié)同步電機(jī)的端電壓幅值、相位和頻率與電網(wǎng)側(cè)一致，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行。并網(wǎng)后，同步電機(jī)輸出功率跟隨光伏陣列輸出功率的變化而變化。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，光伏系統(tǒng)采用該方案并網(wǎng)時(shí)得到的并網(wǎng)電壓、電流波形質(zhì)量好，對(duì)電網(wǎng)沒(méi)有諧波污染，且既可以向電網(wǎng)提供有功功率又可以提供無(wú)功功率，有利于改善電網(wǎng)功率因數(shù)。

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(編輯 張愛(ài)琴)

A study on the control method of photovoltaic grid connected with AC and DC motor

SUN Ying, ZHANG Jiancheng

(Dept of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

According to the shortcomings of photovoltaic grid connected inverter with high failure rate, high harmonic content, and complex control, a utility method of photovoltaic grid connected with DC-synchronous motor is proposed. Photovoltaic supply power is for DC motor in this photovoltaic grid connected system, and DC motor drives synchronous motor coaxial rotation, which realizes the conversion between DC and AC power. The grid connected control system includes maximum power point tracking control, motor speed control and synchronous motor terminal voltage control. The photovoltaic grid connection can be achieved when synchronous motor meets grid conditions. When connected to grid, the output of synchronous motor varies with the output of the photovoltaic. Simulative results verify the feasibility of the method based on MATLAB/Simulink. The grid voltage and current waveform are good, and active and reactive power can be provided to improve the power factor of the grid. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51177047).

photovoltaic power generation; DC motor; synchronous motor; MPPT control; grid-connected control

10.7667/PSPC151586

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51177047)；河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(16214504D)

2015-09-07；

2015-11-27

孫 穎(1992-)，女，通信作者，碩士研究生，研究方向?yàn)楣夥l(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)；E-mail:sunying5330@163.com 張建成(1965-)，男，博士研究生導(dǎo)師，教授，研究方向?yàn)樾滦蛢?chǔ)能技術(shù)和可再生能源發(fā)電控制技術(shù)。E-mail: zhang_jiancheng@126.com