光伏并網(wǎng)系統(tǒng)最大功率追蹤控制

車(chē)永亮,孟　濤,趙金陽(yáng)

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012; 2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司 電力科學(xué)研究院,長(zhǎng)春 130021;

3.遼寧省電力有限公司撫順供電公司,遼寧 撫順 113008)

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·能源與動(dòng)力工程·

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)最大功率追蹤控制

車(chē)永亮1,孟濤2,趙金陽(yáng)3

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012; 2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司 電力科學(xué)研究院,長(zhǎng)春 130021;

3.遼寧省電力有限公司撫順供電公司,遼寧 撫順 113008)

為保證光伏陣列輸出功率穩(wěn)定運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài),降低光伏大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行成本,建立了光伏陣列數(shù)學(xué)模型,探討了光伏陣列輸出特性,并提出一種改進(jìn)電壓擾動(dòng)法,使光伏陣列穩(wěn)定運(yùn)行于最優(yōu)點(diǎn)。采用光伏并網(wǎng)發(fā)電協(xié)調(diào)控制策略,即采用功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)協(xié)調(diào)控制,實(shí)現(xiàn)了光伏陣列向電網(wǎng)最優(yōu)輸出。PSCAD/EMTDC電力仿真軟件的仿真結(jié)果也驗(yàn)證了該電壓擾動(dòng)法和光伏并網(wǎng)發(fā)電協(xié)調(diào)控制策略的有效性。

光伏;建模;并網(wǎng);最大功率追蹤

太陽(yáng)能光伏輸出功率受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度以及輸出電壓影響較大,導(dǎo)致功率輸出效率低,增加運(yùn)行成本[1-3],因此保證光伏時(shí)刻工作在最大功率狀態(tài)是國(guó)內(nèi)外學(xué)者積極探索研究的目標(biāo)。

針對(duì)光伏最大功率追蹤的研究,文獻(xiàn)[4]提出一種改進(jìn)的自適應(yīng)占空比擾動(dòng)法,保證光伏快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地跟蹤上最大功率點(diǎn);文獻(xiàn)[5]采用自適應(yīng)滑模觀(guān)測(cè)器,實(shí)現(xiàn)光伏電池實(shí)時(shí)、精確追蹤功率最優(yōu)電壓點(diǎn);文獻(xiàn)[6]針對(duì)不同光照強(qiáng)度、不同負(fù)載及內(nèi)部參數(shù)變化對(duì)光伏輸出特性進(jìn)行了研究,得出光伏輸出功率特性呈非線(xiàn)性且功率最優(yōu)點(diǎn)只有一個(gè);文獻(xiàn)[7]基于滑?？刂萍夹g(shù)實(shí)現(xiàn)功率最大點(diǎn)的實(shí)時(shí)跟蹤,采用交錯(cuò)Boost結(jié)構(gòu)減小功率輸出波紋;文獻(xiàn)[8]基于Newton-Raphson算法提出一種dq軸解耦與網(wǎng)側(cè)逆變器相結(jié)合的控制方法,并研發(fā)一臺(tái)模擬光伏并網(wǎng)采樣機(jī)。本文在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型,基于電壓擾動(dòng)法實(shí)現(xiàn)光伏最優(yōu)功率點(diǎn)準(zhǔn)確追蹤,并通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型及控制策略的有效性。

1　光伏陣列建模及分析

光伏陣列溫度為

Tc=Ta+tc·G

式中:Tc為光伏陣列溫度；Ta為環(huán)境溫度；G為太陽(yáng)照射強(qiáng)度。

光伏陣列V-I方程為[9]

其中

式中:Um和Im分別為最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓和電流;Uoc和Ipvsc分別為開(kāi)路電壓和短路電流;a與b分別為給定輻射強(qiáng)度下的電流溫度變化系數(shù)和電壓溫度變化系數(shù);Np與Ns分別為光伏陣列中組件的并聯(lián)數(shù)和串聯(lián)數(shù);tc為溫度變化系數(shù);Rs為組件的串聯(lián)電阻。

光伏陣列輸出功率為

P=IV(1-Kl)

式中:P光伏陣列輸出功率,Kl為光伏組件串并聯(lián)損耗系數(shù)。

基于不同太陽(yáng)光照強(qiáng)度,光伏陣列I-V和P-V特性曲線(xiàn)如圖1所示。由圖1可知:I-V曲線(xiàn)在最大功率點(diǎn)附近是高度非線(xiàn)性的,并且短路電流與太陽(yáng)光照強(qiáng)度呈顯著正相關(guān),開(kāi)路電壓并無(wú)明顯變化;P-V曲線(xiàn)表明,隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增大光伏輸出功率相應(yīng)增加,故光伏陣列輸出最大功率跟蹤可通過(guò)擾動(dòng)光伏陣列端電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1　不同光照強(qiáng)度下光伏陣列I-V和P-V特性曲線(xiàn)

為了適應(yīng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的快速變化,本文提出基于功率變化率改進(jìn)電壓擾動(dòng)法,進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)。改進(jìn)電壓擾動(dòng)法算法流程如圖2所示。

結(jié)合本次測(cè)量的電壓V(k)與電流I(k)和上次測(cè)量記錄的電壓V(k-1)和電流I(k-1),計(jì)算可得到功率變化率dP。如果dP<ε1,則認(rèn)為功率輸出不變,無(wú)需電壓擾動(dòng);否則,再進(jìn)行判斷dP是否大于功率變化率最大值ε2,若是,則對(duì)dP進(jìn)行修正,然后按變步長(zhǎng)的功率變化率進(jìn)行電壓擾動(dòng)。

圖2　改進(jìn)電壓擾動(dòng)法算法流程圖

2　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制策略

光伏并網(wǎng)發(fā)電協(xié)調(diào)控制如圖3所示。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可分為兩個(gè)聯(lián)系密切的子系統(tǒng):光伏控制系統(tǒng)與并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)。光伏控制系統(tǒng)中:UPV和UPVm分別為光伏控制系統(tǒng)中端電壓和最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的端電壓;IPV和DPV分別為光伏控制系統(tǒng)中電感電流與DC-DC變流器的控制信號(hào)。并網(wǎng)控制系統(tǒng)中:md和mq分別為并網(wǎng)系統(tǒng)中dq軸坐標(biāo)下d軸控制信號(hào)和q軸控制信號(hào);Id和Idref分別為d軸電流矢量的實(shí)際值與參考值;Iq和Iqref為q軸電流矢量的實(shí)際值與參考值;Udc和Udcref分別為直流電壓的實(shí)際值與參考值;Ud分別為網(wǎng)側(cè)電壓在d軸分量;L為dq軸濾波電感;W為電氣角速度;Qref為并網(wǎng)控制系統(tǒng)無(wú)功功率參考值;La、Lb、Lc,Ia、Ib、Ic和Ua、Ub、Uc分別為網(wǎng)側(cè)abc三相交流系統(tǒng)中電感、電流和電壓;S1-S6為網(wǎng)側(cè)變流器IGBT脈沖信號(hào)。

PV單元中:通過(guò)改進(jìn)的電導(dǎo)增量法鎖定最大功率點(diǎn)電壓參考值UPVm,UPV與UPVm采用電壓外環(huán)控制,快速穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)光伏最大功率的輸出。DC/AC并網(wǎng)單元中:應(yīng)用鎖相環(huán)(Phase Locked Loops,PLL)測(cè)量技術(shù),保證同步旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系d軸與電壓矢量方向重合,于是有ud=U,uq=0,實(shí)現(xiàn)dq軸解耦控制。d軸采用雙環(huán)控制確保直流母線(xiàn)電壓平穩(wěn),其中Udc和Udcref作為電壓外環(huán),Id和Idref作為電流內(nèi)環(huán)。q軸采用電流內(nèi)環(huán)控制,快速穩(wěn)定追蹤上無(wú)功功率參考Qref(根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)定,一般設(shè)為0)。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略,保證了上網(wǎng)功率最優(yōu)利用了光能(即實(shí)現(xiàn)了光伏的MPPT控制),穩(wěn)定了直流母線(xiàn)電壓,平滑了上網(wǎng)功率,保證了系統(tǒng)的電能品質(zhì)。

3　算例分析

基于PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)建立額定容量為0.5 MW的光伏系統(tǒng)仿真模型,光伏發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1　光伏并網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)

圖3　光伏并網(wǎng)發(fā)電協(xié)調(diào)控制圖

太陽(yáng)輻射強(qiáng)度初始值為800 W/m2,最優(yōu)輸出功率約為24.5 kW,仿真運(yùn)行到4 s時(shí),太陽(yáng)輻射強(qiáng)度躍升到1000 W/m2,最優(yōu)輸出功率約為49.5 kW。具體變化情況如圖4所示。

圖4　光照強(qiáng)度及輸出功率變化曲線(xiàn)

由圖4分析可知,當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度發(fā)生階躍性變化時(shí),功率控制器的有功、無(wú)功功率實(shí)際值跟蹤其參考值的速度較快約10 ms,無(wú)穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差,魯棒性較好。

光照強(qiáng)度發(fā)生階躍變化時(shí),光伏出力、端電壓及電感電流跟蹤情況如圖5所示。

圖5　光伏功率、端電壓及端電流跟蹤情況

由圖5分析可知,4 s時(shí),光照強(qiáng)度發(fā)生階躍性變化,光伏出力、端電壓及電感電流實(shí)際值快速穩(wěn)定地跟蹤上了參考值,且三者趨勢(shì)一致,驗(yàn)證了光伏最大功率追蹤控制策略的有效性。

4 s時(shí)光照強(qiáng)度發(fā)生階躍變化時(shí),直流母線(xiàn)電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況如圖6所示。

圖6　直流母線(xiàn)電壓跟蹤情況

由圖6可知,光照強(qiáng)度發(fā)生階躍性變化時(shí),直流母線(xiàn)電壓幾乎無(wú)波動(dòng),跟蹤速度快,魯棒性較強(qiáng)。

基于光伏控制單元和并網(wǎng)逆變器控制單元的網(wǎng)側(cè)有功功率和無(wú)功功率輸出情況如圖7所示。

圖7　網(wǎng)側(cè)有功功率、無(wú)功功率及dq軸電流跟蹤情況

由圖7可知:注入電網(wǎng)的功率與光伏最優(yōu)輸出功率一致,0～4 s上網(wǎng)功率約為24.5 kW,4～8 s上網(wǎng)功率約為49.5 kW;網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率的實(shí)際值與參考值一致,為0 kvar。dq軸電流的變化跟蹤趨勢(shì)與有功功率和無(wú)功功率變化趨勢(shì)相同,且有功功率、無(wú)功功率、dq軸電流的實(shí)際值跟蹤參考值速度較快,無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差,魯棒性較強(qiáng)。

4　結(jié)　語(yǔ)

本文建立了光伏數(shù)學(xué)模型,基于在光伏運(yùn)行最優(yōu)點(diǎn)I-V處于高度非線(xiàn)性,提出了一種改進(jìn)的電壓擾動(dòng)法,保證光伏穩(wěn)定且迅速追蹤上最優(yōu)點(diǎn);采用電壓擾動(dòng)法與網(wǎng)側(cè)功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)功率注入電網(wǎng);PSCAD/EMTDC中的仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制方法的有效性。

[1] GAO W, ZHEGLOV V. PV-wind-fuel cell-electrolyzer mic-ro-grid modeling and control in real time digital simulator[C]//International Conference on Clean Electrical Power. Capri:IEEE,2009:29-34.

[2] DING Ming, WANG Bo. Stabilizing control strategy of complementary energy storage in renewable energy system[C]//Innovative Smart Grid Technologies-Asia (ISGT Asia). Tianjin:IEEE,2012:1-5.

[3] HAMZEH M, GHAZANFARI A. Integrating hybrid power source into an islanded MV microgrid using CHB multilevel inverter under unbalanced and nonlinear load conditions[J].IEEE Transactions on Engergy Conversion,2013,28(3):643-651.

[4] 栗秋華,周林,劉強(qiáng),等.電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定指標(biāo)的研究光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤新算法及其仿真[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2008,28(7):21-24.

LI Qiuhua, ZHOU Lin, LIU Qiang, et al. Simulative research of MPPT for photovoltaic power system[J]. Electric Power Automation System,2008,28(7):21-24.

[5] 周雒維,楊柳.光伏電池的最大功率跟蹤以及并網(wǎng)逆變[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(2):16-21.ZHOU Luowei, YANG Liu. MPPT control of photovoltaic grid connected system[J]. Journal of Chongqing University, 2010,33(2):16-21.

[6] 禹華軍,潘俊民.光伏電池輸出特性與最大功率跟蹤的仿真分析[J].計(jì)算機(jī)仿真,2005,22(6):248-251.

YU Huajun, PAN Junmin. Simulation analysis of output features and the maximum power point tracking of PV cells[J]. Computer Simulation,2005,22(6):248-251.

[7] 張小平,唐宇,周玉榮,等.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤的研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,39(4):30-34.

ZHANG Xiaoping, TANG Yu, ZHOU Yurong, et al. Research on MPPT for photovoltaic power system[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology, 2010,39(4): 30-34.

[8] 周德佳,趙爭(zhēng)鳴,袁立強(qiáng),等.具有改進(jìn)最大功率跟蹤算法的光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(31):95-100.

ZHOU Dejia, ZHAO Zhengming, YUAN Liqiang, et al. Implementation of a photovoltaic grid-connected system based on improved maximum power point tracking[J]. Proceedings of the CSEE,2008,28(31):95-100.

[9] 蔡國(guó)偉, 孔令國(guó). 風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的建模及并網(wǎng)控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(9):196-204.

CAI Guowei, KONG Lingguo. System modeling of WIND-PV-ES hybrid power system and its control strategy for grid-connected[J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28(9):196-204.

(責(zé)任編輯侯世春)

MPPT control of grid-connected PV system

CHE Yongliang1, MENG Tao2, ZHAO Jinyang3

(1.School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China; 2.Electric Power Research Institute, State Grid Jilin Electric Power Co., Ltd., Changchun 130021, China; 3.Electric Power Company of Fushun, Fushun 113008, China)

To ensure PV running at the optimal state, and to reduce the operation cost of large-scale PV connected to grid, this paper established the model of PV array, discussed the characteristics of PV array, and proposed the improved voltage perturbation method, which can keep PV running stably at the optimal state. It is a method that at the same time adopts the coordinate control strategy, which uses power outer loop and current inner control, to realize the PV array optimal power output to grid. In the PSCAD, the simulation results show that the control strategy of grid-connected PV is effective.

PV; modeling; grid-connected; MPPT

2015-12-20;

2016-03-03。

車(chē)永亮(1986—),男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)及控制策略研究。

TM615.2

A

2095-6843(2016)03-0270-05